RemoteSensing Wiki - Συνεισφορές χρήστη [el]

Δυναμική σχέση της γεωργικής χρήσης νερού και της αγροτικής οικονομίας στη λεκάνη απορροής του Κίτρινου Ποταμού της Εσωτερικής Μογγολίας

2024-02-24T07:27:03Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Dynamic Relationship between Agricultural Water Use and the Agricultural Economy in the Inner Mongolia Section of the Yellow River Basin''

'''Συγγραφείς: ''' Zhigang Ye, Ping Miao, Ning Li, Yong Wang, Fanhao Meng, Rong Zhang, Shan Yin

'''Δημοσιεύθηκε: ''' ''Sustainability 2023, 15, 12979. https://doi.org/10.3390/su151712979''

'''Λέξεις κλειδιά: '''Γεωργία, υδατικοί πόροι, πρόβλεψη φυτικής απόδοσης, σχεδιασμός αδρευτικών συστημάτων, σχεδιασμός αρδευτικού δικτύου

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Μελέτη γεωργικής χρήσης νερού και αγροτικής οικονομίας (1998-2018)'''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_1_1.jpg | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Χάρτης της λεκάνης απορροής Κίτρινου Ποταμού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_2.jpg | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Τάσεις στη συνολική γεωργική χρήση νερού στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού (1998–2018), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' Μέσος όρος γεωργικών υδάτινων πόρων και χρήση ανά περιοχή στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού (2018), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' Τάσεις στις κύριες αποδόσεις των καλλιεργειών στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού (1998–2018), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' Τάσεις στο ΑΕΠ πρωτογενούς τομέα σε κάθε πόλη σε επίπεδο νομού στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού (1998–2018), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' Μερίδιο ΑΕΠ πρωτογενούς τομέα στο συνολικό ΑΕΠ σε κάθε πόλη σε επίπεδο νομού στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού (1998–2018), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Αποτελέσματα δοκιμών μοναδιαίας ρίζας για γεωργική χρήση νερού και αγροτική οικονομία. Τα dlnW και dlnG δείχνουν τις πρώτες διαφορές μεταξύ lnW και lnG. Τα ** και *** υποδεικνύουν ότι τα δεδομένα του πίνακα πέρασαν τη δοκιμή στα επίπεδα σημαντικότητας 5% και 1%, αντίστοιχα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Δοκιμή συνολοκλήρωσης δεδομένων του πίνακα για γεωργική χρήση νερού και αγροτική οικονομία. Τα * και *** υποδεικνύουν ότι τα δεδομένα του πίνακα πέρασαν τη δοκιμή στα επίπεδα 10% και 1%, αντίστοιχα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Γενικευμένη μέθοδος ανάλυσης στιγμών του μοντέλου διανυσματικής αυτοπαλίνδρομης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_10.png | thumb| right|'''Εικόνα 10.''' '' Δοκιμή αιτιότητας Granger μεταξύ γεωργικής χρήσης νερού και αγροτικής οικονομίας, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

Η γεωργική χρήση νερού, αποτελεί έναν σημαντικό πόρο για την αγροτική οικονομική ανάπτυξη, η οποία με τη σειρά της επηρεάζει την προσφορά πόρων. Λόγω της λειψυδρίας σε μεγάλες αγροτικές περιοχές της Κίνας απειλείται η επισιτιστική ασφάλεια στην Κίνα αλλά και τις γύρω περιοχές. Μια από τις κύριες περιοχές παραγωγής τροφίμων της Κίνας, η λεκάνη απορροής του Κίτρινου Ποταμού, στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας, η οποία είναι ζωτικής σημασίας για την επισιτιστική ασφάλεια στη βόρεια Κίνα, βρίσκεται σε μια άνυδρη και ημίξηρη περιοχή με λιγότερα από 300 χιλιοστά βροχής. Η αύξηση της βιομηχανικής και αγροτικής ανάπτυξης έχουν οδηγήσει σε μια ανισορροπία μεταξύ της παροχής και ζήτησης νερού. Το 2018, η γεωργική χρήση νερού στην περιοχή αντιστοιχούσε στο 78% της συνολικής κατανάλωσης νερού, ενώ από το 1998 έως το 2018, η ακαθάριστη γεωργική παραγωγή παρουσίασε μέσο ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης 7,3%. Παρόλο που το ποσοστό της αγροτικής οικονομίας στην περιοχή είναι λιγότερο από 20%, ο αγροτικός πληθυσμός αντιπροσωπεύει πάνω από το 60% του συνολικού πληθυσμού. Η γεωργική χρήση νερού αποτελεί το μεγαλύτερο ποσοστό κατανάλωσης νερού, και κατεπέκταση είναι το κλειδί για την αντιμετώπιση της λειψυδρίας. Η σχέση μεταξύ της γεωργικής χρήσης νερού και της αγροτικής οικονομίας είναι ένα βήμα προς την ανάπτυξη αποτελεσματικής πολιτικής υδατικών πόρων για την γεωργία αλλά και την ανάπτυξη της κοινωνικής οικονομίας. Ωστόσο, η σχέση γεωργικής χρήσης νερού-αγροτικής οικονομίας δεν έχει μελετηθεί. Επομένως, χρησιμοποιήσαμε ένα μοντέλο διανυσματικής αυτόματης παλινδρόμησης (PVAR) για να εξερευνήσουμε την αλληλεπίδραση μεταξύ των δύο μεταβλητών. Οι στόχοι αυτής της μελέτης ήταν (1) ο υπολογιστός και η ποσοτικοποίηση των χαρακτηριστικών αλλαγής της γεωργικής χρήσης νερού και της αγροτικής οικονομίας στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας στη λεκάνη απορροής του Κίτρινου Ποταμού και τις πόλεις αυτής της περιοχής και (2) να προσδιοριστεί εάν υπάρχει μια μακροπρόθεσμη σχέση ισορροπίας μεταξύ της γεωργικής χρήσης νερού και αγροτικής οικονομίας, αν υπάρχει αμοιβαία επιρροή, και αν υπάρχει αμφίδρομη σχέση.

''' 2. ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΕΛΕΤΗΣ, ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Επισκόπηση Περιοχής Μελέτης '''

Συνολικά 830 km του Κίτρινου Ποταμού (συνολικό μήκος: 5464 km) ρέει μέσα στο τμήμα του Εσωτερικής Μογγολίας. Το υψόμετρο είναι 799–2343 m, η γεωμορφολογία του είναι πολύπλοκη και το κλίμα είναι ξηρό και ημίξηρο με μέση ετήσια θερμοκρασία 6,63 ◦C. Ως προς τις διοικητικές διαιρέσεις, ο Κίτρινος Ποταμός στην Εσωτερική Μογγολία διέρχεται από έξι πόλεις (Hohhot, Baotou, Wuhai, Ordos, Bayannur και Alashan). Καθώς, ο Κίτρινος Ποταμός διασχίζει μόνο 85 χιλιόμετρα κατά μήκος της ανατολικής άκρης της Alashan, συμβάλλοντας ελάχιστα για τη γεωργική άρδευση, αποκλείσαμε τον Αλασάν από την μελέτη μας. Το τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού λογαριάζει περισσότερο από το 60% του ακαθάριστου εγχώριου προϊόντος (ΑΕΠ) της περιοχής και επομένως, η περιοχή εξαρτάται στη ροή του ποταμού για αγροτική ανάπτυξη. 

''' 2.2. Πηγές Δεδομένων και Προεπεξεργασία '''

Αναλύσαμε δύο μεταβλητές, τη γεωργική χρήση νερού και την αγροτική οικονομία μεταξύ 1998 και 2018. Τα δεδομένα ελήφθησαν από τα Inner Mongolia Statistical Yearbook, Inner Mongolia Water Resources Bulletin, and the Yellow River Water Resources Bulletin. Η γεωργική χρήση νερού αναφέρεται στην ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται για την άρδευση γεωργικών αγρών, οπωρώνων και βοσκοτόπια (εκτός των υδάτων κτηνοτροφίας και ιχθυοκαλλιέργειας) ως ποσοστό του πρωτογενούς τομέα. Η αγροτική οικονομική ανάπτυξη εκφράζεται σε όρους της ακαθάριστης γεωργικής παραγωγής, με κύριες καλλιέργειες το σιτάρι, το καλαμπόκι, τα φασόλια, τις πατάτες και τους ελαιούχους σπόρους. Η συνολική αποτελεσματική έκταση άρδευσης αναφέρεται στην καλλιεργούμενη έκταση με συγκεκριμένη πηγή νερού, σχετικά επίπεδη γη και αρδευτικά έργα σε ένα συνηθισμένο έτος. Η ανάπτυξη της αγροτικής οικονομίας είναι η διαφορά μεταξύ του τελικού αγροτικού ακαθάριστου εθνικού προϊόν (ΑΕΠ) και το βασικό γεωργικό ΑΕΠ, το οποίο είναι ένας δυναμικός δείκτης που αντικατοπτρίζει την αλλαγή στο επίπεδο ανάπτυξης της αγροτικής οικονομίας σε μια ορισμένη περίοδο.

''' 2.3. Μέθοδοι '''

''' 2.3.1. Ίδρυση Μοντέλου PVAR '''

Εξετάσαμε εάν υπάρχει αιτιώδης σχέση μεταξύ της γεωργικής χρήσης νερού και της αγροτικής
οικονομίας, κατά την περίοδο 1998–2018 στο PVAR μοντέλο. Χρησιμοποιώντας τη δοκιμή μοναδιαίας ρίζας, τη δοκιμή συνολοκλήρωσης και τη δοκιμή αιτιότητας Granger, ερευνήσαμε, αντίστοιχα, τη σταθερότητα, τις μακροπρόθεσμες ισορροπίες και την αμοιβαία αιτιότητα από τις δύο αυτές κύριες μεταβλητές. Οι παράμετροι PVAR, εκτιμήθηκαν χρησιμοποιώντας τη γενικευμένη μέθοδο ροπών (GMM) για την εξαγωγή ποσοτικών σχέσεων μεταξύ των μεταβλητών. Το μοντέλο PVAR που προέκυψε ήταν ως εξής:

<center>''' ys,t = a0 + ∑ k j=1 ajyi,t−j + ηi + ei,t ''' </center>

όπου ys,t περιλαμβάνει δύο μεταβλητές, οι οποίες είναι η συνολική γεωργική χρήση νερού και η αγροτική οικονομική ανάπτυξη (μετρούμενη από την ακαθάριστη αγροτική παραγωγή).Το i αντιπροσωπεύει κάθε πόλη της Εσωτερικής Μογγολίας από την οποία περνά ο Κίτρινος Ποταμός. Το t αντιπροσωπεύει διαφορετικά έτη. Το k είναι το μήκος υστέρησης του μοντέλου. Το ηi είναι ένα περιφερειακό σταθερό αποτέλεσμα που αποτυπώνει την ετερογένεια των δύο κύριων μεταβλητών σε διαφορετικές περιοχές και το ei,t αντιπροσωπεύει τους όρους σφάλματος. Για την εγκυρότητα του μοντέλου, τα δεδομένα του πίνακα εξετάστηκαν πρώτα για σταθερότητα και συνολοκλήρωση.

''' 2.3.2. Δοκιμή Μοναδιαίας Ρίζας '''

Χρησιμοποιήσαμε τη δοκιμή μοναδιαίας ρίζας για να προσδιορίσουμε τη σταθερότητα των κύριων μεταβλητών στην περιοχή μελέτης. Αρχικά, οι μεταβλητές λογαριθμήθηκαν, και συμβολίστηκαν ως lnW και lnG. Εάν τα αποτελέσματα του τεστ απορρίπτουν τη μηδενική υπόθεση, συμπεραίνουμε ότι τα δεδομένα του πίνακα δεν είχαν μοναδιάια ρίζα, υποδεικνύοντας ότι η χρονική σειρά είναι στάσιμη. Εάν δεν μπορούμε να απορρίψουμε τη μηδενική υπόθεση, συμπεραίνουμε ότι τα δεδομένα δεν είναι στάσιμα.

''' 2.3.3. Επιλογή μήκους υστέρησης '''

Για να δημιουργηθεί ένα μοντέλο PVAR με πολλαπλές μεταβλητές, ήταν πρώτα απαραίτητο να προσδιοριστεί το βέλτιστο μήκος υστέρησης k. Ένα k που είναι πολύ μεγάλο ή πολύ μικρό θα μειώσει την παράμετρο του μοντέλου εγκυρότητα εκτίμησης.

''' 2.3.4. Τεστ Συνολοκλήρωσης '''

Χρειάστηκαν δοκιμές συνολοκλήρωσης για τον προσδιορισμό της πιθανής μακροπρόθεσμης ισορροπίας τους. Αξιολογώντας τη στατιστική σημασία των τιμών p που προκύπτουν σε διάφορα επίπεδα σημαντικότητας, βρήκαμε ότι υπήρχε μια μακροπρόθεσμη σχέση ισορροπίας μεταξύ των μεταβλητών.

''' 2.3.5. Γενικευμένη Μέθοδος Ανάλυσης Ροπών (GMM) '''

Υπολογίσαμε τις παραμέτρους του μοντέλου PVAR, χρησιμοποιώντας GMM για την προσαρμογή των μεταβλητών στο μοντέλο αυτοπαλίνδρομης, διότι το μοντέλο PVAR περιελάμβανε και επιδράσεις στον χρόνο και σταθερά αποτελέσματα.

''' 2.3.6. Τεστ αιτιότητας Granger '''

Μετά τον έλεγχο της σταθερότητας και της συνολοκλήρωσης των μεταβλητών, το τελικό βήμα ήταν η χρήση του τεστ αιτιότητας Granger για την αξιολόγηση πιθανών αιτιωδών σχέσεων μεταξύ των μεταβλητών. Η μηδενική υπόθεση από το τεστ αιτιότητας Granger είναι ότι δεν υπάρχει αιτιώδης σχέση μεταξύ των μεταβλητών. Αφού η μηδενική υπόθεση απορρίφθηκε, προσδιορίσαμε αν η αιτιώδης σχέση ήταν μονόδρομη ή αμφίδρομη χρησιμοποιώντας ένα τεστ t και αξιολογώντας τις τιμές p σε διάφορα επίπεδα σημαντικότητας.

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ '''

''' 3.1. Γεωργική χρήση νερού στο τμήμα της εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού '''

Από το 1998 έως το 2018, ο πολυετής μέσος όρος της συνολικής γεωργικής χρήσης νερού μειώθηκε σημαντικά. Το υψηλότερο σύνολο σημειώθηκε το 2005 και το χαμηλότερο σημειώθηκε το 2012 ενώ μεταξύ 1998 και 2002, παρέμεινε σχετικά σταθερή. Η βροχόπτωση το 2012 ήταν υψηλότερη από τον πολυετή μέσο όρο, οδηγώντας σε ένα έτος με πλεόνασμα νερού, έτσι οι βροχοπτώσεις που καταναλώθηκαν από τις καλλιέργειες ήταν σχετικά υψηλές, με αποτέλεσμα χαμηλότερη γεωργική χρήση νερού για άρδευση. Παράλληλα, στις πέντε πόλεις του τμήματος της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού υπήρχαν σημαντικές διαφορές στο μερίδιο της γεωργικής χρήσης νερού στη συνολική χρήση νερού, όπως το 2018, για παράδειγμα. Η χαμηλότερη απόδοση άρδευσης μπορεί να οφείλεται στο γεγονός ότι μια περιοχή καλλιεργεί κυρίως καλλιέργειες όπως λαχανικά θερμοκηπίου και σταφύλια. Αποδεικνύεται ότι η απόδοση της γεωργικής χρήσης νερού ποικίλλει πολύ στις πόλεις του τμήματος της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού. Για την κάλυψη της ζήτησης νερού που απαιτείται για βιώσιμη οικονομική ανάπτυξη, θα πρέπει να αναπτύξουν τεχνολογίες διαχείρισης γεωργικών υδάτων, μεθόδους άρδευσης και βελτίωση της αποδοτικότητας χρήσης του νερού. Οι αποδόσεις των καλλιεργειών στην περιοχή μελέτης δείχνουν ότι η απόδοση της γεωργικής χρήσης νερού αυξήθηκε σημαντικά από το 1998 έως το 2018, υποδεικνύοντας σημαντικές βελτιώσεις στις μεθόδους και τις τεχνολογίες άρδευσης. Αν και το μέσο σύνολο της γεωργικής χρήσης νερού του τμήματος της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού μειώθηκε σημαντικά κατά την περίοδο της μελέτης, οι αποδόσεις των μεγάλων καλλιεργειών παρουσίασαν σαφείς ανοδικές τάσεις την ίδια περίοδο.

''' 3.2. Ανάπτυξη της Αγροτικής Οικονομίας στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού '''

Από το 1998 έως το 2018, το μέσο συνολικό ΑΕΠ των βιομηχανιών του πρωτογενούς τομέα στη μελέτη περιοχής παρουσίασε στατιστικά σημαντική ανοδική τάση, καθώς και το συνολικό ΑΕΠ των βιομηχανιών του πρωτογενούς τομέα αυξήθηκε. Το ΑΕΠ του πρωτογενούς τομέα σε όλες τις πόλεις σε επίπεδο νομών αρχικά αυξήθηκε, σταθεροποιήθηκε, στη συνέχεια μειώθηκε ελαφρά κατά την περίοδο 2012-2013 και τελικά αυξήθηκε και πάλι μετά το 2016. Η αγροτική οικονομία είναι ένα κρίσιμο μέρος της εθνικής οικονομίας. Ωστόσο, υπήρχαν διαφορές μεταξύ ΑΕΠ του πρωτογενούς τομέα στην περιοχή μελέτης ως ποσοστό του συνολικού ΑΕΠ και του πρωτογενούς τομέα ΑΕΠ σε κάθε πόλη ως ποσοστό του συνολικού ΑΕΠ της πόλης. Παρόλα αυτά, όλα τα ποσοστά του πρωτογενούς τομέα του συνολικού ΑΕΠ μειώθηκαν σημαντικά κατά την περίοδο μελέτης. Αυτές οι οικονομικές αλλαγές αποκαλύπτουν την ταχεία ανάπτυξη των βιομηχανιών του δευτερογενούς και τριτογενούς κλάδου, το οποίο αντιπροσωπεύει ένα πολύ μεγαλύτερο μερίδιο του ΑΕΠ από τον πρωτογενή τομέα. Η οικονομία της περιοχής έχει βελτιστοποιηθεί. Τα επίπεδα εκβιομηχάνισης και ο εκσυγχρονισμός που παρατηρείται σήμερα μοιάζει με εκείνους που παρατηρούνται στις ανεπτυγμένες οικονομίες, χαρακτηρίζεται από μεγάλη εισροή κεφαλαίων και εργατικού δυναμικού στους κλάδους των πληροφοριών και των υπηρεσιών.

''' 3.3. Αιτιότητα μεταξύ Γεωργικής χρήσης νερού και Αγροτικής Οικονομίας '''

Όταν πραγματοποιήθηκε η δοκιμή μοναδιαίας ρίζας στο lnW, τα αποτελέσματα έδειξαν ότι απέρριψαν τη μηδενική υπόθεση. Όταν πραγματοποιήθηκε η δοκιμή μοναδιαίας ρίζας σε lnG, είδαμε ότι το lnG δεν μπορούσε να απορρίψει τη μηδενική υπόθεση, υποδεικνύοντας ότι τα αρχικά δεδομένα της ακαθάριστης γεωργικής παραγωγής είχαν μοναδιαίες ρίζες και οι χρονικές στιγμές ήταν μη στάσιμες. Έπειτα, πραγματοποιήσαμε δοκιμές συνολοκλήρωσης στις δύο μεταβλητές για να καθορίσει εάν υπήρχε μακροπρόθεσμη σχέση ισορροπίας μεταξύ των δύο. Καταλήξαμε, ότι υπήρχε μακροπρόθεσμη ισορροπία μεταξύ της γεωργικής χρήσης νερού και της αγροτικής οικονομίας στην περιοχή μας. Οι τιμές με υστέρηση μιας περιόδου τόσο της γεωργικής χρήσης νερού όσο και της αγροτικής οικονομίας ήταν θετική, υποδεικνύοντας ότι και τα δύο επηρεάστηκαν θετικά από την προηγούμενη περίοδο. Βλέπουμε ότι όχι μόνο η αγροτική οικονομική ανάπτυξη εξαρτιόταν από τη δική της ανάπτυξη αλλά και ότι η γεωργική χρήση νερού συνέβαλε σημαντικά στην αγροτική της οικονομία. Επίσης, βλέπουμε ότι μεγαλύτερη γεωργική παραγωγή οδηγεί σε μεγαλύτερη γεωργική χρήση νερού. Ωστόσο, ο συντελεστής υστέρησης της γεωργικής χρήσης νερού ήταν μεγαλύτερος από τον συντελεστή υστέρησης της αγροτικής οικονομίας. Με άλλα λόγια, η γεωργική χρήση νερού τόνωσε την αγροτική οικονομία περισσότερο. Το μοντέλο PVAR μπορεί να αντικατοπτρίσει μόνο την δυναμική μεταξύ μεταβλητών σε μακροοικονομικό επίπεδο. Το τεστ αιτιότητας Granger μεταξύ της αγροτικής οικονομίας και της γεωργικής χρήσης νερού αποκάλυψε ότι η γεωργική χρήση νερού προκάλεσε αύξηση της αγροτικής οικονομίας. Αυτό το αποτέλεσμα δείχνει ότι η αύξηση της γεωργικής χρήσης νερού οδηγεί στην ανάπτυξη της αγροτικής οικονομίας και δεύτερον ότι η ανάπτυξη της αγροτικής οικονομίας βελτιώνει σημαντικά την απόδοση της γεωργικής χρήσης νερού. Αυτό μπορεί να οφείλετε στην τεχνολογική ανάπτυξη, που θα μπορούσε να μειώσει τη ζήτηση για υδατικούς πόρους.

''' 4. ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η γεωργική χρήση νερού παρουσίασε σημαντική πτωτική τάση κατά τη διάρκεια 1998–2018, κυρίως λόγω της συνεχούς βελτίωσης της αποδοτικότητας της γεωργικής χρήσης νερού. Το ΑΕΠ της πρωτογενούς βιομηχανίας παρουσίασε σημαντική αυξητική τάση από το 1998 έως το 2018. Το ΑΕΠ της πρωτογενής βιομηχανίας κάθε πόλης παρουσίασε επίσης σημαντική αυξητική τάση. Ωστόσο, η αναλογία του ΑΕΠ της πρωτογενούς βιομηχανίας στην συνολική αξία παραγωγής παρουσιάζει μια φθίνουσα τάση. Η Κίνα υιοθετώντας το 10ο Πενταετές Σχέδιο για την Εθνική Οικονομική και Κοινωνική Ανάπτυξη, οι οικονομίες των πόλεων σε επίπεδο νομών αναπτύχθηκαν γρήγορα, και η αναλογία του ΑΕΠ του πρωτογενούς τομέα στο συνολικό ΑΕΠ μειώθηκε. Αυτή η μείωση στο ποσοστό του συνολικού ΑΕΠ επιβραδύνθηκε και τελικά σταθεροποιήθηκε. Ωστόσο, επειδή ο ρυθμός ανάπτυξης του πρωτογενούς τομέα ήταν μικρότερος από αυτόν του δευτερογενούς και τριτογενούς τομέα, η αναλογία των πρωτογενών βιομηχανιών στην συνολική οικονομία μειώθηκε σταδιακά. Διαπιστώσαμε ότι στην γεωργική χρήση νερού και στην αγροτική οικονομία σε αυτήν την περιοχή κατά τη περίοδο μελέτης υπάρχει μια μακροπρόθεσμη σχέση ισορροπίας μεταξυ τους. Επιπλέον, η εξάρτηση της αγροτικής οικονομίας από την γεωργική χρήση νερού είναι μεγαλύτερη από εκείνη της γεωργικής χρήσης νερού για την αγροτική οικονομία. Λαμβάνοντας υπόψη τα χαρακτηριστικά των ελλείψεων υδατικών πόρων στην περιοχή μελέτης, τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης συνάδουν με τη λειψυδρία και την αγροτική ανάπτυξη της περιοχής, καθώς η οικονομική ανάπτυξη εξαρτάται περισσότερο από τους υδάτινους πόρους σε περιοχές με σχετική λειψυδρία. Μεταξύ της αγροτικής οικονομίας και της γεωργικής χρήσης νερού είδαμε ότι η γεωργική χρήση νερού προκαλεί αύξηση στη αγροτική οικονομία. Συγκεκριμένα, εκτός από την γεωργική χρήση νερού, η αγροτική οικονομία επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες, όπως από μεθόδους άρδευσης και τη δομή της καλλιέργειας. Σύμφωνα με την αρχή του οριακού αποτελέσματος, η οριακή επίδραση της γεωργικής χρήσης νερού στην αγροτική οικονομική ανάπτυξη θα μειωθεί, γεγονός που μπορεί οδηγήσει σε σπατάλη υδάτινων πόρων. Ως εκ τούτου, θα πρέπει να στοχεύσουμε στη βιώσιμη ανάπτυξη γεωργικών υδάτινων πόρων βελτιώνοντας τις υπάρχουσες τεχνολογίες και βιομηχανικές δομές. Αναλύοντας τα χαρακτηριστικά της χρήσης νερού και της αγροτικής οικονομίας, καθώς και το αποτέλεσμα αλληλεπίδρασης μεταξύ τους, συμπεραίνουμε:
(1) Από το 1998 έως το 2018, η μέση συνολική γεωργική χρήση νερού παρουσίασε σημαντική πτωτική τάση. Ταυτόχρονα, η απόδοση της γεργικής χρήσης νερού αυξήθηκε σημαντικά, και οι αποδόσεις των μεγάλων καλλιεργειών αυξήθηκαν.
(2) Η αγροτική οικονομία της περιοχής αυξήθηκε σημαντικά μεταξύ 1998 και 2018.
(3) Υπάρχει μια σταθερή, μακροπρόθεσμη σχέση συνολοκλήρωσης μεταξύ της γεωργικής χρήσης νερού και της αγροτικής οικονομικής ανάπτυξης, καθώς και αμοιβαία επιρροή. Και οι δύο μεταβλητές επηρεάστηκαν θετικά από την προηγούμενη περίοδο. Περαιτέρω, υπάρχει μονόδρομη αιτιώδης σχέση από την γεωργική χρήση νερού στην αγροτική οικονομική ανάπτυξη.

Σύμφωνα με αυτά τα αποτελέσματα, προτείνουμε ότι η τοπική κυβέρνηση θα πρέπει να αναζητήσει μια πορεία βιώσιμης ανάπτυξης για τους γεωργικούς υδάτινους πόρους με τη βελτίωση του υπάρχοντος επιπέδου γεωργικής τεχνολογίας και τη βελτιστοποίηση της βιομηχανικής δομής για την αύξηση του γεωργικού οικονομικού εισοδήματος.

[[category:Γεωργία]]
[[category:Πρόβλεψη φυτικής απόδοσης]]
[[category:Σχεδιασμός αδρευτικών συστημάτων]]
[[category:Υδατικοί Πόροι]]
[[category:Σχεδιασμός αρδευτικού δικτύου]]

Δυναμική σχέση της γεωργικής χρήσης νερού και της αγροτικής οικονομίας στη λεκάνη απορροής του Κίτρινου Ποταμού της Εσωτερικής Μογγολίας

2024-02-24T07:26:17Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' Dynamic Relationship between Agricultural Water Use and the Agricultural Economy in the Inner Mongolia Section of the Yellow River Basin

'''Συγγραφείς: ''' Zhigang Ye, Ping Miao, Ning Li, Yong Wang, Fanhao Meng, Rong Zhang, Shan Yin

'''Δημοσιεύθηκε: ''' Sustainability 2023, 15, 12979. https://doi.org/10.3390/su151712979

'''Λέξεις κλειδιά: '''Γεωργία, υδατικοί πόροι, πρόβλεψη φυτικής απόδοσης, σχεδιασμός αδρευτικών συστημάτων, σχεδιασμός αρδευτικού δικτύου

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Μελέτη γεωργικής χρήσης νερού και αγροτικής οικονομίας (1998-2018)'''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_1_1.jpg | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Χάρτης της λεκάνης απορροής Κίτρινου Ποταμού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_2.jpg | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Τάσεις στη συνολική γεωργική χρήση νερού στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού (1998–2018), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' Μέσος όρος γεωργικών υδάτινων πόρων και χρήση ανά περιοχή στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού (2018), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' Τάσεις στις κύριες αποδόσεις των καλλιεργειών στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού (1998–2018), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' Τάσεις στο ΑΕΠ πρωτογενούς τομέα σε κάθε πόλη σε επίπεδο νομού στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού (1998–2018), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' Μερίδιο ΑΕΠ πρωτογενούς τομέα στο συνολικό ΑΕΠ σε κάθε πόλη σε επίπεδο νομού στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού (1998–2018), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Αποτελέσματα δοκιμών μοναδιαίας ρίζας για γεωργική χρήση νερού και αγροτική οικονομία. Τα dlnW και dlnG δείχνουν τις πρώτες διαφορές μεταξύ lnW και lnG. Τα ** και *** υποδεικνύουν ότι τα δεδομένα του πίνακα πέρασαν τη δοκιμή στα επίπεδα σημαντικότητας 5% και 1%, αντίστοιχα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Δοκιμή συνολοκλήρωσης δεδομένων του πίνακα για γεωργική χρήση νερού και αγροτική οικονομία. Τα * και *** υποδεικνύουν ότι τα δεδομένα του πίνακα πέρασαν τη δοκιμή στα επίπεδα 10% και 1%, αντίστοιχα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Γενικευμένη μέθοδος ανάλυσης στιγμών του μοντέλου διανυσματικής αυτοπαλίνδρομης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_10.png | thumb| right|'''Εικόνα 10.''' '' Δοκιμή αιτιότητας Granger μεταξύ γεωργικής χρήσης νερού και αγροτικής οικονομίας, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

Η γεωργική χρήση νερού, αποτελεί έναν σημαντικό πόρο για την αγροτική οικονομική ανάπτυξη, η οποία με τη σειρά της επηρεάζει την προσφορά πόρων. Λόγω της λειψυδρίας σε μεγάλες αγροτικές περιοχές της Κίνας απειλείται η επισιτιστική ασφάλεια στην Κίνα αλλά και τις γύρω περιοχές. Μια από τις κύριες περιοχές παραγωγής τροφίμων της Κίνας, η λεκάνη απορροής του Κίτρινου Ποταμού, στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας, η οποία είναι ζωτικής σημασίας για την επισιτιστική ασφάλεια στη βόρεια Κίνα, βρίσκεται σε μια άνυδρη και ημίξηρη περιοχή με λιγότερα από 300 χιλιοστά βροχής. Η αύξηση της βιομηχανικής και αγροτικής ανάπτυξης έχουν οδηγήσει σε μια ανισορροπία μεταξύ της παροχής και ζήτησης νερού. Το 2018, η γεωργική χρήση νερού στην περιοχή αντιστοιχούσε στο 78% της συνολικής κατανάλωσης νερού, ενώ από το 1998 έως το 2018, η ακαθάριστη γεωργική παραγωγή παρουσίασε μέσο ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης 7,3%. Παρόλο που το ποσοστό της αγροτικής οικονομίας στην περιοχή είναι λιγότερο από 20%, ο αγροτικός πληθυσμός αντιπροσωπεύει πάνω από το 60% του συνολικού πληθυσμού. Η γεωργική χρήση νερού αποτελεί το μεγαλύτερο ποσοστό κατανάλωσης νερού, και κατεπέκταση είναι το κλειδί για την αντιμετώπιση της λειψυδρίας. Η σχέση μεταξύ της γεωργικής χρήσης νερού και της αγροτικής οικονομίας είναι ένα βήμα προς την ανάπτυξη αποτελεσματικής πολιτικής υδατικών πόρων για την γεωργία αλλά και την ανάπτυξη της κοινωνικής οικονομίας. Ωστόσο, η σχέση γεωργικής χρήσης νερού-αγροτικής οικονομίας δεν έχει μελετηθεί. Επομένως, χρησιμοποιήσαμε ένα μοντέλο διανυσματικής αυτόματης παλινδρόμησης (PVAR) για να εξερευνήσουμε την αλληλεπίδραση μεταξύ των δύο μεταβλητών. Οι στόχοι αυτής της μελέτης ήταν (1) ο υπολογιστός και η ποσοτικοποίηση των χαρακτηριστικών αλλαγής της γεωργικής χρήσης νερού και της αγροτικής οικονομίας στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας στη λεκάνη απορροής του Κίτρινου Ποταμού και τις πόλεις αυτής της περιοχής και (2) να προσδιοριστεί εάν υπάρχει μια μακροπρόθεσμη σχέση ισορροπίας μεταξύ της γεωργικής χρήσης νερού και αγροτικής οικονομίας, αν υπάρχει αμοιβαία επιρροή, και αν υπάρχει αμφίδρομη σχέση.

''' 2. ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΕΛΕΤΗΣ, ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Επισκόπηση Περιοχής Μελέτης '''

Συνολικά 830 km του Κίτρινου Ποταμού (συνολικό μήκος: 5464 km) ρέει μέσα στο τμήμα του Εσωτερικής Μογγολίας. Το υψόμετρο είναι 799–2343 m, η γεωμορφολογία του είναι πολύπλοκη και το κλίμα είναι ξηρό και ημίξηρο με μέση ετήσια θερμοκρασία 6,63 ◦C. Ως προς τις διοικητικές διαιρέσεις, ο Κίτρινος Ποταμός στην Εσωτερική Μογγολία διέρχεται από έξι πόλεις (Hohhot, Baotou, Wuhai, Ordos, Bayannur και Alashan). Καθώς, ο Κίτρινος Ποταμός διασχίζει μόνο 85 χιλιόμετρα κατά μήκος της ανατολικής άκρης της Alashan, συμβάλλοντας ελάχιστα για τη γεωργική άρδευση, αποκλείσαμε τον Αλασάν από την μελέτη μας. Το τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού λογαριάζει περισσότερο από το 60% του ακαθάριστου εγχώριου προϊόντος (ΑΕΠ) της περιοχής και επομένως, η περιοχή εξαρτάται στη ροή του ποταμού για αγροτική ανάπτυξη. 

''' 2.2. Πηγές Δεδομένων και Προεπεξεργασία '''

Αναλύσαμε δύο μεταβλητές, τη γεωργική χρήση νερού και την αγροτική οικονομία μεταξύ 1998 και 2018. Τα δεδομένα ελήφθησαν από τα Inner Mongolia Statistical Yearbook, Inner Mongolia Water Resources Bulletin, and the Yellow River Water Resources Bulletin. Η γεωργική χρήση νερού αναφέρεται στην ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται για την άρδευση γεωργικών αγρών, οπωρώνων και βοσκοτόπια (εκτός των υδάτων κτηνοτροφίας και ιχθυοκαλλιέργειας) ως ποσοστό του πρωτογενούς τομέα. Η αγροτική οικονομική ανάπτυξη εκφράζεται σε όρους της ακαθάριστης γεωργικής παραγωγής, με κύριες καλλιέργειες το σιτάρι, το καλαμπόκι, τα φασόλια, τις πατάτες και τους ελαιούχους σπόρους. Η συνολική αποτελεσματική έκταση άρδευσης αναφέρεται στην καλλιεργούμενη έκταση με συγκεκριμένη πηγή νερού, σχετικά επίπεδη γη και αρδευτικά έργα σε ένα συνηθισμένο έτος. Η ανάπτυξη της αγροτικής οικονομίας είναι η διαφορά μεταξύ του τελικού αγροτικού ακαθάριστου εθνικού προϊόν (ΑΕΠ) και το βασικό γεωργικό ΑΕΠ, το οποίο είναι ένας δυναμικός δείκτης που αντικατοπτρίζει την αλλαγή στο επίπεδο ανάπτυξης της αγροτικής οικονομίας σε μια ορισμένη περίοδο.

''' 2.3. Μέθοδοι '''

''' 2.3.1. Ίδρυση Μοντέλου PVAR '''

Εξετάσαμε εάν υπάρχει αιτιώδης σχέση μεταξύ της γεωργικής χρήσης νερού και της αγροτικής
οικονομίας, κατά την περίοδο 1998–2018 στο PVAR μοντέλο. Χρησιμοποιώντας τη δοκιμή μοναδιαίας ρίζας, τη δοκιμή συνολοκλήρωσης και τη δοκιμή αιτιότητας Granger, ερευνήσαμε, αντίστοιχα, τη σταθερότητα, τις μακροπρόθεσμες ισορροπίες και την αμοιβαία αιτιότητα από τις δύο αυτές κύριες μεταβλητές. Οι παράμετροι PVAR, εκτιμήθηκαν χρησιμοποιώντας τη γενικευμένη μέθοδο ροπών (GMM) για την εξαγωγή ποσοτικών σχέσεων μεταξύ των μεταβλητών. Το μοντέλο PVAR που προέκυψε ήταν ως εξής:

<center>''' ys,t = a0 + ∑ k j=1 ajyi,t−j + ηi + ei,t ''' </center>

όπου ys,t περιλαμβάνει δύο μεταβλητές, οι οποίες είναι η συνολική γεωργική χρήση νερού και η αγροτική οικονομική ανάπτυξη (μετρούμενη από την ακαθάριστη αγροτική παραγωγή).Το i αντιπροσωπεύει κάθε πόλη της Εσωτερικής Μογγολίας από την οποία περνά ο Κίτρινος Ποταμός. Το t αντιπροσωπεύει διαφορετικά έτη. Το k είναι το μήκος υστέρησης του μοντέλου. Το ηi είναι ένα περιφερειακό σταθερό αποτέλεσμα που αποτυπώνει την ετερογένεια των δύο κύριων μεταβλητών σε διαφορετικές περιοχές και το ei,t αντιπροσωπεύει τους όρους σφάλματος. Για την εγκυρότητα του μοντέλου, τα δεδομένα του πίνακα εξετάστηκαν πρώτα για σταθερότητα και συνολοκλήρωση.

''' 2.3.2. Δοκιμή Μοναδιαίας Ρίζας '''

Χρησιμοποιήσαμε τη δοκιμή μοναδιαίας ρίζας για να προσδιορίσουμε τη σταθερότητα των κύριων μεταβλητών στην περιοχή μελέτης. Αρχικά, οι μεταβλητές λογαριθμήθηκαν, και συμβολίστηκαν ως lnW και lnG. Εάν τα αποτελέσματα του τεστ απορρίπτουν τη μηδενική υπόθεση, συμπεραίνουμε ότι τα δεδομένα του πίνακα δεν είχαν μοναδιάια ρίζα, υποδεικνύοντας ότι η χρονική σειρά είναι στάσιμη. Εάν δεν μπορούμε να απορρίψουμε τη μηδενική υπόθεση, συμπεραίνουμε ότι τα δεδομένα δεν είναι στάσιμα.

''' 2.3.3. Επιλογή μήκους υστέρησης '''

Για να δημιουργηθεί ένα μοντέλο PVAR με πολλαπλές μεταβλητές, ήταν πρώτα απαραίτητο να προσδιοριστεί το βέλτιστο μήκος υστέρησης k. Ένα k που είναι πολύ μεγάλο ή πολύ μικρό θα μειώσει την παράμετρο του μοντέλου εγκυρότητα εκτίμησης.

''' 2.3.4. Τεστ Συνολοκλήρωσης '''

Χρειάστηκαν δοκιμές συνολοκλήρωσης για τον προσδιορισμό της πιθανής μακροπρόθεσμης ισορροπίας τους. Αξιολογώντας τη στατιστική σημασία των τιμών p που προκύπτουν σε διάφορα επίπεδα σημαντικότητας, βρήκαμε ότι υπήρχε μια μακροπρόθεσμη σχέση ισορροπίας μεταξύ των μεταβλητών.

''' 2.3.5. Γενικευμένη Μέθοδος Ανάλυσης Ροπών (GMM) '''

Υπολογίσαμε τις παραμέτρους του μοντέλου PVAR, χρησιμοποιώντας GMM για την προσαρμογή των μεταβλητών στο μοντέλο αυτοπαλίνδρομης, διότι το μοντέλο PVAR περιελάμβανε και επιδράσεις στον χρόνο και σταθερά αποτελέσματα.

''' 2.3.6. Τεστ αιτιότητας Granger '''

Μετά τον έλεγχο της σταθερότητας και της συνολοκλήρωσης των μεταβλητών, το τελικό βήμα ήταν η χρήση του τεστ αιτιότητας Granger για την αξιολόγηση πιθανών αιτιωδών σχέσεων μεταξύ των μεταβλητών. Η μηδενική υπόθεση από το τεστ αιτιότητας Granger είναι ότι δεν υπάρχει αιτιώδης σχέση μεταξύ των μεταβλητών. Αφού η μηδενική υπόθεση απορρίφθηκε, προσδιορίσαμε αν η αιτιώδης σχέση ήταν μονόδρομη ή αμφίδρομη χρησιμοποιώντας ένα τεστ t και αξιολογώντας τις τιμές p σε διάφορα επίπεδα σημαντικότητας.

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ '''

''' 3.1. Γεωργική χρήση νερού στο τμήμα της εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού '''

Από το 1998 έως το 2018, ο πολυετής μέσος όρος της συνολικής γεωργικής χρήσης νερού μειώθηκε σημαντικά. Το υψηλότερο σύνολο σημειώθηκε το 2005 και το χαμηλότερο σημειώθηκε το 2012 ενώ μεταξύ 1998 και 2002, παρέμεινε σχετικά σταθερή. Η βροχόπτωση το 2012 ήταν υψηλότερη από τον πολυετή μέσο όρο, οδηγώντας σε ένα έτος με πλεόνασμα νερού, έτσι οι βροχοπτώσεις που καταναλώθηκαν από τις καλλιέργειες ήταν σχετικά υψηλές, με αποτέλεσμα χαμηλότερη γεωργική χρήση νερού για άρδευση. Παράλληλα, στις πέντε πόλεις του τμήματος της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού υπήρχαν σημαντικές διαφορές στο μερίδιο της γεωργικής χρήσης νερού στη συνολική χρήση νερού, όπως το 2018, για παράδειγμα. Η χαμηλότερη απόδοση άρδευσης μπορεί να οφείλεται στο γεγονός ότι μια περιοχή καλλιεργεί κυρίως καλλιέργειες όπως λαχανικά θερμοκηπίου και σταφύλια. Αποδεικνύεται ότι η απόδοση της γεωργικής χρήσης νερού ποικίλλει πολύ στις πόλεις του τμήματος της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού. Για την κάλυψη της ζήτησης νερού που απαιτείται για βιώσιμη οικονομική ανάπτυξη, θα πρέπει να αναπτύξουν τεχνολογίες διαχείρισης γεωργικών υδάτων, μεθόδους άρδευσης και βελτίωση της αποδοτικότητας χρήσης του νερού. Οι αποδόσεις των καλλιεργειών στην περιοχή μελέτης δείχνουν ότι η απόδοση της γεωργικής χρήσης νερού αυξήθηκε σημαντικά από το 1998 έως το 2018, υποδεικνύοντας σημαντικές βελτιώσεις στις μεθόδους και τις τεχνολογίες άρδευσης. Αν και το μέσο σύνολο της γεωργικής χρήσης νερού του τμήματος της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού μειώθηκε σημαντικά κατά την περίοδο της μελέτης, οι αποδόσεις των μεγάλων καλλιεργειών παρουσίασαν σαφείς ανοδικές τάσεις την ίδια περίοδο.

''' 3.2. Ανάπτυξη της Αγροτικής Οικονομίας στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού '''

Από το 1998 έως το 2018, το μέσο συνολικό ΑΕΠ των βιομηχανιών του πρωτογενούς τομέα στη μελέτη περιοχής παρουσίασε στατιστικά σημαντική ανοδική τάση, καθώς και το συνολικό ΑΕΠ των βιομηχανιών του πρωτογενούς τομέα αυξήθηκε. Το ΑΕΠ του πρωτογενούς τομέα σε όλες τις πόλεις σε επίπεδο νομών αρχικά αυξήθηκε, σταθεροποιήθηκε, στη συνέχεια μειώθηκε ελαφρά κατά την περίοδο 2012-2013 και τελικά αυξήθηκε και πάλι μετά το 2016. Η αγροτική οικονομία είναι ένα κρίσιμο μέρος της εθνικής οικονομίας. Ωστόσο, υπήρχαν διαφορές μεταξύ ΑΕΠ του πρωτογενούς τομέα στην περιοχή μελέτης ως ποσοστό του συνολικού ΑΕΠ και του πρωτογενούς τομέα ΑΕΠ σε κάθε πόλη ως ποσοστό του συνολικού ΑΕΠ της πόλης. Παρόλα αυτά, όλα τα ποσοστά του πρωτογενούς τομέα του συνολικού ΑΕΠ μειώθηκαν σημαντικά κατά την περίοδο μελέτης. Αυτές οι οικονομικές αλλαγές αποκαλύπτουν την ταχεία ανάπτυξη των βιομηχανιών του δευτερογενούς και τριτογενούς κλάδου, το οποίο αντιπροσωπεύει ένα πολύ μεγαλύτερο μερίδιο του ΑΕΠ από τον πρωτογενή τομέα. Η οικονομία της περιοχής έχει βελτιστοποιηθεί. Τα επίπεδα εκβιομηχάνισης και ο εκσυγχρονισμός που παρατηρείται σήμερα μοιάζει με εκείνους που παρατηρούνται στις ανεπτυγμένες οικονομίες, χαρακτηρίζεται από μεγάλη εισροή κεφαλαίων και εργατικού δυναμικού στους κλάδους των πληροφοριών και των υπηρεσιών.

''' 3.3. Αιτιότητα μεταξύ Γεωργικής χρήσης νερού και Αγροτικής Οικονομίας '''

Όταν πραγματοποιήθηκε η δοκιμή μοναδιαίας ρίζας στο lnW, τα αποτελέσματα έδειξαν ότι απέρριψαν τη μηδενική υπόθεση. Όταν πραγματοποιήθηκε η δοκιμή μοναδιαίας ρίζας σε lnG, είδαμε ότι το lnG δεν μπορούσε να απορρίψει τη μηδενική υπόθεση, υποδεικνύοντας ότι τα αρχικά δεδομένα της ακαθάριστης γεωργικής παραγωγής είχαν μοναδιαίες ρίζες και οι χρονικές στιγμές ήταν μη στάσιμες. Έπειτα, πραγματοποιήσαμε δοκιμές συνολοκλήρωσης στις δύο μεταβλητές για να καθορίσει εάν υπήρχε μακροπρόθεσμη σχέση ισορροπίας μεταξύ των δύο. Καταλήξαμε, ότι υπήρχε μακροπρόθεσμη ισορροπία μεταξύ της γεωργικής χρήσης νερού και της αγροτικής οικονομίας στην περιοχή μας. Οι τιμές με υστέρηση μιας περιόδου τόσο της γεωργικής χρήσης νερού όσο και της αγροτικής οικονομίας ήταν θετική, υποδεικνύοντας ότι και τα δύο επηρεάστηκαν θετικά από την προηγούμενη περίοδο. Βλέπουμε ότι όχι μόνο η αγροτική οικονομική ανάπτυξη εξαρτιόταν από τη δική της ανάπτυξη αλλά και ότι η γεωργική χρήση νερού συνέβαλε σημαντικά στην αγροτική της οικονομία. Επίσης, βλέπουμε ότι μεγαλύτερη γεωργική παραγωγή οδηγεί σε μεγαλύτερη γεωργική χρήση νερού. Ωστόσο, ο συντελεστής υστέρησης της γεωργικής χρήσης νερού ήταν μεγαλύτερος από τον συντελεστή υστέρησης της αγροτικής οικονομίας. Με άλλα λόγια, η γεωργική χρήση νερού τόνωσε την αγροτική οικονομία περισσότερο. Το μοντέλο PVAR μπορεί να αντικατοπτρίσει μόνο την δυναμική μεταξύ μεταβλητών σε μακροοικονομικό επίπεδο. Το τεστ αιτιότητας Granger μεταξύ της αγροτικής οικονομίας και της γεωργικής χρήσης νερού αποκάλυψε ότι η γεωργική χρήση νερού προκάλεσε αύξηση της αγροτικής οικονομίας. Αυτό το αποτέλεσμα δείχνει ότι η αύξηση της γεωργικής χρήσης νερού οδηγεί στην ανάπτυξη της αγροτικής οικονομίας και δεύτερον ότι η ανάπτυξη της αγροτικής οικονομίας βελτιώνει σημαντικά την απόδοση της γεωργικής χρήσης νερού. Αυτό μπορεί να οφείλετε στην τεχνολογική ανάπτυξη, που θα μπορούσε να μειώσει τη ζήτηση για υδατικούς πόρους.

''' 4. ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η γεωργική χρήση νερού παρουσίασε σημαντική πτωτική τάση κατά τη διάρκεια 1998–2018, κυρίως λόγω της συνεχούς βελτίωσης της αποδοτικότητας της γεωργικής χρήσης νερού. Το ΑΕΠ της πρωτογενούς βιομηχανίας παρουσίασε σημαντική αυξητική τάση από το 1998 έως το 2018. Το ΑΕΠ της πρωτογενής βιομηχανίας κάθε πόλης παρουσίασε επίσης σημαντική αυξητική τάση. Ωστόσο, η αναλογία του ΑΕΠ της πρωτογενούς βιομηχανίας στην συνολική αξία παραγωγής παρουσιάζει μια φθίνουσα τάση. Η Κίνα υιοθετώντας το 10ο Πενταετές Σχέδιο για την Εθνική Οικονομική και Κοινωνική Ανάπτυξη, οι οικονομίες των πόλεων σε επίπεδο νομών αναπτύχθηκαν γρήγορα, και η αναλογία του ΑΕΠ του πρωτογενούς τομέα στο συνολικό ΑΕΠ μειώθηκε. Αυτή η μείωση στο ποσοστό του συνολικού ΑΕΠ επιβραδύνθηκε και τελικά σταθεροποιήθηκε. Ωστόσο, επειδή ο ρυθμός ανάπτυξης του πρωτογενούς τομέα ήταν μικρότερος από αυτόν του δευτερογενούς και τριτογενούς τομέα, η αναλογία των πρωτογενών βιομηχανιών στην συνολική οικονομία μειώθηκε σταδιακά. Διαπιστώσαμε ότι στην γεωργική χρήση νερού και στην αγροτική οικονομία σε αυτήν την περιοχή κατά τη περίοδο μελέτης υπάρχει μια μακροπρόθεσμη σχέση ισορροπίας μεταξυ τους. Επιπλέον, η εξάρτηση της αγροτικής οικονομίας από την γεωργική χρήση νερού είναι μεγαλύτερη από εκείνη της γεωργικής χρήσης νερού για την αγροτική οικονομία. Λαμβάνοντας υπόψη τα χαρακτηριστικά των ελλείψεων υδατικών πόρων στην περιοχή μελέτης, τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης συνάδουν με τη λειψυδρία και την αγροτική ανάπτυξη της περιοχής, καθώς η οικονομική ανάπτυξη εξαρτάται περισσότερο από τους υδάτινους πόρους σε περιοχές με σχετική λειψυδρία. Μεταξύ της αγροτικής οικονομίας και της γεωργικής χρήσης νερού είδαμε ότι η γεωργική χρήση νερού προκαλεί αύξηση στη αγροτική οικονομία. Συγκεκριμένα, εκτός από την γεωργική χρήση νερού, η αγροτική οικονομία επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες, όπως από μεθόδους άρδευσης και τη δομή της καλλιέργειας. Σύμφωνα με την αρχή του οριακού αποτελέσματος, η οριακή επίδραση της γεωργικής χρήσης νερού στην αγροτική οικονομική ανάπτυξη θα μειωθεί, γεγονός που μπορεί οδηγήσει σε σπατάλη υδάτινων πόρων. Ως εκ τούτου, θα πρέπει να στοχεύσουμε στη βιώσιμη ανάπτυξη γεωργικών υδάτινων πόρων βελτιώνοντας τις υπάρχουσες τεχνολογίες και βιομηχανικές δομές. Αναλύοντας τα χαρακτηριστικά της χρήσης νερού και της αγροτικής οικονομίας, καθώς και το αποτέλεσμα αλληλεπίδρασης μεταξύ τους, συμπεραίνουμε:
(1) Από το 1998 έως το 2018, η μέση συνολική γεωργική χρήση νερού παρουσίασε σημαντική πτωτική τάση. Ταυτόχρονα, η απόδοση της γεργικής χρήσης νερού αυξήθηκε σημαντικά, και οι αποδόσεις των μεγάλων καλλιεργειών αυξήθηκαν.
(2) Η αγροτική οικονομία της περιοχής αυξήθηκε σημαντικά μεταξύ 1998 και 2018.
(3) Υπάρχει μια σταθερή, μακροπρόθεσμη σχέση συνολοκλήρωσης μεταξύ της γεωργικής χρήσης νερού και της αγροτικής οικονομικής ανάπτυξης, καθώς και αμοιβαία επιρροή. Και οι δύο μεταβλητές επηρεάστηκαν θετικά από την προηγούμενη περίοδο. Περαιτέρω, υπάρχει μονόδρομη αιτιώδης σχέση από την γεωργική χρήση νερού στην αγροτική οικονομική ανάπτυξη.

Σύμφωνα με αυτά τα αποτελέσματα, προτείνουμε ότι η τοπική κυβέρνηση θα πρέπει να αναζητήσει μια πορεία βιώσιμης ανάπτυξης για τους γεωργικούς υδάτινους πόρους με τη βελτίωση του υπάρχοντος επιπέδου γεωργικής τεχνολογίας και τη βελτιστοποίηση της βιομηχανικής δομής για την αύξηση του γεωργικού οικονομικού εισοδήματος.

[[category:Γεωργία]]
[[category:Πρόβλεψη φυτικής απόδοσης]]
[[category:Σχεδιασμός αδρευτικών συστημάτων]]
[[category:Υδατικοί Πόροι]]
[[category:Σχεδιασμός αρδευτικού δικτύου]]

Δυναμική σχέση της γεωργικής χρήσης νερού και της αγροτικής οικονομίας στη λεκάνη απορροής του Κίτρινου Ποταμού της Εσωτερικής Μογγολίας

2024-02-24T07:24:49Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' Dynamic Relationship between Agricultural Water Use and the Agricultural Economy in the Inner Mongolia Section of the Yellow River Basin

'''Συγγραφείς: ''' Zhigang Ye, Ping Miao, Ning Li, Yong Wang, Fanhao Meng, Rong Zhang, Shan Yin

'''Δημοσιεύθηκε: ''' Sustainability 2023, 15, 12979. https://doi.org/10.3390/su151712979

'''Λέξεις κλειδιά: ''' ''Γεωργία, υδατικοί πόροι, πρόβλεψη φυτικής απόδοσης, σχεδιασμός αδρευτικών συστημάτων, σχεδιασμός αρδευτικού δικτύου

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Μελέτη γεωργικής χρήσης νερού και αγροτικής οικονομίας (1998-2018)'''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_1_1.jpg | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Χάρτης της λεκάνης απορροής Κίτρινου Ποταμού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_2.jpg | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Τάσεις στη συνολική γεωργική χρήση νερού στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού (1998–2018), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' Μέσος όρος γεωργικών υδάτινων πόρων και χρήση ανά περιοχή στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού (2018), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' Τάσεις στις κύριες αποδόσεις των καλλιεργειών στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού (1998–2018), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' Τάσεις στο ΑΕΠ πρωτογενούς τομέα σε κάθε πόλη σε επίπεδο νομού στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού (1998–2018), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' Μερίδιο ΑΕΠ πρωτογενούς τομέα στο συνολικό ΑΕΠ σε κάθε πόλη σε επίπεδο νομού στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού (1998–2018), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Αποτελέσματα δοκιμών μοναδιαίας ρίζας για γεωργική χρήση νερού και αγροτική οικονομία. Τα dlnW και dlnG δείχνουν τις πρώτες διαφορές μεταξύ lnW και lnG. Τα ** και *** υποδεικνύουν ότι τα δεδομένα του πίνακα πέρασαν τη δοκιμή στα επίπεδα σημαντικότητας 5% και 1%, αντίστοιχα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Δοκιμή συνολοκλήρωσης δεδομένων του πίνακα για γεωργική χρήση νερού και αγροτική οικονομία. Τα * και *** υποδεικνύουν ότι τα δεδομένα του πίνακα πέρασαν τη δοκιμή στα επίπεδα 10% και 1%, αντίστοιχα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Γενικευμένη μέθοδος ανάλυσης στιγμών του μοντέλου διανυσματικής αυτοπαλίνδρομης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_10.png | thumb| right|'''Εικόνα 10.''' '' Δοκιμή αιτιότητας Granger μεταξύ γεωργικής χρήσης νερού και αγροτικής οικονομίας, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

Η γεωργική χρήση νερού, αποτελεί έναν σημαντικό πόρο για την αγροτική οικονομική ανάπτυξη, η οποία με τη σειρά της επηρεάζει την προσφορά πόρων. Λόγω της λειψυδρίας σε μεγάλες αγροτικές περιοχές της Κίνας απειλείται η επισιτιστική ασφάλεια στην Κίνα αλλά και τις γύρω περιοχές. Μια από τις κύριες περιοχές παραγωγής τροφίμων της Κίνας, η λεκάνη απορροής του Κίτρινου Ποταμού, στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας, η οποία είναι ζωτικής σημασίας για την επισιτιστική ασφάλεια στη βόρεια Κίνα, βρίσκεται σε μια άνυδρη και ημίξηρη περιοχή με λιγότερα από 300 χιλιοστά βροχής. Η αύξηση της βιομηχανικής και αγροτικής ανάπτυξης έχουν οδηγήσει σε μια ανισορροπία μεταξύ της παροχής και ζήτησης νερού. Το 2018, η γεωργική χρήση νερού στην περιοχή αντιστοιχούσε στο 78% της συνολικής κατανάλωσης νερού, ενώ από το 1998 έως το 2018, η ακαθάριστη γεωργική παραγωγή παρουσίασε μέσο ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης 7,3%. Παρόλο που το ποσοστό της αγροτικής οικονομίας στην περιοχή είναι λιγότερο από 20%, ο αγροτικός πληθυσμός αντιπροσωπεύει πάνω από το 60% του συνολικού πληθυσμού. Η γεωργική χρήση νερού αποτελεί το μεγαλύτερο ποσοστό κατανάλωσης νερού, και κατεπέκταση είναι το κλειδί για την αντιμετώπιση της λειψυδρίας. Η σχέση μεταξύ της γεωργικής χρήσης νερού και της αγροτικής οικονομίας είναι ένα βήμα προς την ανάπτυξη αποτελεσματικής πολιτικής υδατικών πόρων για την γεωργία αλλά και την ανάπτυξη της κοινωνικής οικονομίας. Ωστόσο, η σχέση γεωργικής χρήσης νερού-αγροτικής οικονομίας δεν έχει μελετηθεί. Επομένως, χρησιμοποιήσαμε ένα μοντέλο διανυσματικής αυτόματης παλινδρόμησης (PVAR) για να εξερευνήσουμε την αλληλεπίδραση μεταξύ των δύο μεταβλητών. Οι στόχοι αυτής της μελέτης ήταν (1) ο υπολογιστός και η ποσοτικοποίηση των χαρακτηριστικών αλλαγής της γεωργικής χρήσης νερού και της αγροτικής οικονομίας στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας στη λεκάνη απορροής του Κίτρινου Ποταμού και τις πόλεις αυτής της περιοχής και (2) να προσδιοριστεί εάν υπάρχει μια μακροπρόθεσμη σχέση ισορροπίας μεταξύ της γεωργικής χρήσης νερού και αγροτικής οικονομίας, αν υπάρχει αμοιβαία επιρροή, και αν υπάρχει αμφίδρομη σχέση.

''' 2. ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΕΛΕΤΗΣ, ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Επισκόπηση Περιοχής Μελέτης '''

Συνολικά 830 km του Κίτρινου Ποταμού (συνολικό μήκος: 5464 km) ρέει μέσα στο τμήμα του Εσωτερικής Μογγολίας. Το υψόμετρο είναι 799–2343 m, η γεωμορφολογία του είναι πολύπλοκη και το κλίμα είναι ξηρό και ημίξηρο με μέση ετήσια θερμοκρασία 6,63 ◦C. Ως προς τις διοικητικές διαιρέσεις, ο Κίτρινος Ποταμός στην Εσωτερική Μογγολία διέρχεται από έξι πόλεις (Hohhot, Baotou, Wuhai, Ordos, Bayannur και Alashan). Καθώς, ο Κίτρινος Ποταμός διασχίζει μόνο 85 χιλιόμετρα κατά μήκος της ανατολικής άκρης της Alashan, συμβάλλοντας ελάχιστα για τη γεωργική άρδευση, αποκλείσαμε τον Αλασάν από την μελέτη μας. Το τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού λογαριάζει περισσότερο από το 60% του ακαθάριστου εγχώριου προϊόντος (ΑΕΠ) της περιοχής και επομένως, η περιοχή εξαρτάται στη ροή του ποταμού για αγροτική ανάπτυξη. 

''' 2.2. Πηγές Δεδομένων και Προεπεξεργασία '''

Αναλύσαμε δύο μεταβλητές, τη γεωργική χρήση νερού και την αγροτική οικονομία μεταξύ 1998 και 2018. Τα δεδομένα ελήφθησαν από τα Inner Mongolia Statistical Yearbook, Inner Mongolia Water Resources Bulletin, and the Yellow River Water Resources Bulletin. Η γεωργική χρήση νερού αναφέρεται στην ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται για την άρδευση γεωργικών αγρών, οπωρώνων και βοσκοτόπια (εκτός των υδάτων κτηνοτροφίας και ιχθυοκαλλιέργειας) ως ποσοστό του πρωτογενούς τομέα. Η αγροτική οικονομική ανάπτυξη εκφράζεται σε όρους της ακαθάριστης γεωργικής παραγωγής, με κύριες καλλιέργειες το σιτάρι, το καλαμπόκι, τα φασόλια, τις πατάτες και τους ελαιούχους σπόρους. Η συνολική αποτελεσματική έκταση άρδευσης αναφέρεται στην καλλιεργούμενη έκταση με συγκεκριμένη πηγή νερού, σχετικά επίπεδη γη και αρδευτικά έργα σε ένα συνηθισμένο έτος. Η ανάπτυξη της αγροτικής οικονομίας είναι η διαφορά μεταξύ του τελικού αγροτικού ακαθάριστου εθνικού προϊόν (ΑΕΠ) και το βασικό γεωργικό ΑΕΠ, το οποίο είναι ένας δυναμικός δείκτης που αντικατοπτρίζει την αλλαγή στο επίπεδο ανάπτυξης της αγροτικής οικονομίας σε μια ορισμένη περίοδο.

''' 2.3. Μέθοδοι '''

''' 2.3.1. Ίδρυση Μοντέλου PVAR '''

Εξετάσαμε εάν υπάρχει αιτιώδης σχέση μεταξύ της γεωργικής χρήσης νερού και της αγροτικής
οικονομίας, κατά την περίοδο 1998–2018 στο PVAR μοντέλο. Χρησιμοποιώντας τη δοκιμή μοναδιαίας ρίζας, τη δοκιμή συνολοκλήρωσης και τη δοκιμή αιτιότητας Granger, ερευνήσαμε, αντίστοιχα, τη σταθερότητα, τις μακροπρόθεσμες ισορροπίες και την αμοιβαία αιτιότητα από τις δύο αυτές κύριες μεταβλητές. Οι παράμετροι PVAR, εκτιμήθηκαν χρησιμοποιώντας τη γενικευμένη μέθοδο ροπών (GMM) για την εξαγωγή ποσοτικών σχέσεων μεταξύ των μεταβλητών. Το μοντέλο PVAR που προέκυψε ήταν ως εξής:

<center>''' ys,t = a0 + ∑ k j=1 ajyi,t−j + ηi + ei,t ''' </center>

όπου ys,t περιλαμβάνει δύο μεταβλητές, οι οποίες είναι η συνολική γεωργική χρήση νερού και η αγροτική οικονομική ανάπτυξη (μετρούμενη από την ακαθάριστη αγροτική παραγωγή).Το i αντιπροσωπεύει κάθε πόλη της Εσωτερικής Μογγολίας από την οποία περνά ο Κίτρινος Ποταμός. Το t αντιπροσωπεύει διαφορετικά έτη. Το k είναι το μήκος υστέρησης του μοντέλου. Το ηi είναι ένα περιφερειακό σταθερό αποτέλεσμα που αποτυπώνει την ετερογένεια των δύο κύριων μεταβλητών σε διαφορετικές περιοχές και το ei,t αντιπροσωπεύει τους όρους σφάλματος. Για την εγκυρότητα του μοντέλου, τα δεδομένα του πίνακα εξετάστηκαν πρώτα για σταθερότητα και συνολοκλήρωση.

''' 2.3.2. Δοκιμή Μοναδιαίας Ρίζας '''

Χρησιμοποιήσαμε τη δοκιμή μοναδιαίας ρίζας για να προσδιορίσουμε τη σταθερότητα των κύριων μεταβλητών στην περιοχή μελέτης. Αρχικά, οι μεταβλητές λογαριθμήθηκαν, και συμβολίστηκαν ως lnW και lnG. Εάν τα αποτελέσματα του τεστ απορρίπτουν τη μηδενική υπόθεση, συμπεραίνουμε ότι τα δεδομένα του πίνακα δεν είχαν μοναδιάια ρίζα, υποδεικνύοντας ότι η χρονική σειρά είναι στάσιμη. Εάν δεν μπορούμε να απορρίψουμε τη μηδενική υπόθεση, συμπεραίνουμε ότι τα δεδομένα δεν είναι στάσιμα.

''' 2.3.3. Επιλογή μήκους υστέρησης '''

Για να δημιουργηθεί ένα μοντέλο PVAR με πολλαπλές μεταβλητές, ήταν πρώτα απαραίτητο να προσδιοριστεί το βέλτιστο μήκος υστέρησης k. Ένα k που είναι πολύ μεγάλο ή πολύ μικρό θα μειώσει την παράμετρο του μοντέλου εγκυρότητα εκτίμησης.

''' 2.3.4. Τεστ Συνολοκλήρωσης '''

Χρειάστηκαν δοκιμές συνολοκλήρωσης για τον προσδιορισμό της πιθανής μακροπρόθεσμης ισορροπίας τους. Αξιολογώντας τη στατιστική σημασία των τιμών p που προκύπτουν σε διάφορα επίπεδα σημαντικότητας, βρήκαμε ότι υπήρχε μια μακροπρόθεσμη σχέση ισορροπίας μεταξύ των μεταβλητών.

''' 2.3.5. Γενικευμένη Μέθοδος Ανάλυσης Ροπών (GMM) '''

Υπολογίσαμε τις παραμέτρους του μοντέλου PVAR, χρησιμοποιώντας GMM για την προσαρμογή των μεταβλητών στο μοντέλο αυτοπαλίνδρομης, διότι το μοντέλο PVAR περιελάμβανε και επιδράσεις στον χρόνο και σταθερά αποτελέσματα.

''' 2.3.6. Τεστ αιτιότητας Granger '''

Μετά τον έλεγχο της σταθερότητας και της συνολοκλήρωσης των μεταβλητών, το τελικό βήμα ήταν η χρήση του τεστ αιτιότητας Granger για την αξιολόγηση πιθανών αιτιωδών σχέσεων μεταξύ των μεταβλητών. Η μηδενική υπόθεση από το τεστ αιτιότητας Granger είναι ότι δεν υπάρχει αιτιώδης σχέση μεταξύ των μεταβλητών. Αφού η μηδενική υπόθεση απορρίφθηκε, προσδιορίσαμε αν η αιτιώδης σχέση ήταν μονόδρομη ή αμφίδρομη χρησιμοποιώντας ένα τεστ t και αξιολογώντας τις τιμές p σε διάφορα επίπεδα σημαντικότητας.

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ '''

''' 3.1. Γεωργική χρήση νερού στο τμήμα της εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού '''

Από το 1998 έως το 2018, ο πολυετής μέσος όρος της συνολικής γεωργικής χρήσης νερού μειώθηκε σημαντικά. Το υψηλότερο σύνολο σημειώθηκε το 2005 και το χαμηλότερο σημειώθηκε το 2012 ενώ μεταξύ 1998 και 2002, παρέμεινε σχετικά σταθερή. Η βροχόπτωση το 2012 ήταν υψηλότερη από τον πολυετή μέσο όρο, οδηγώντας σε ένα έτος με πλεόνασμα νερού, έτσι οι βροχοπτώσεις που καταναλώθηκαν από τις καλλιέργειες ήταν σχετικά υψηλές, με αποτέλεσμα χαμηλότερη γεωργική χρήση νερού για άρδευση. Παράλληλα, στις πέντε πόλεις του τμήματος της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού υπήρχαν σημαντικές διαφορές στο μερίδιο της γεωργικής χρήσης νερού στη συνολική χρήση νερού, όπως το 2018, για παράδειγμα. Η χαμηλότερη απόδοση άρδευσης μπορεί να οφείλεται στο γεγονός ότι μια περιοχή καλλιεργεί κυρίως καλλιέργειες όπως λαχανικά θερμοκηπίου και σταφύλια. Αποδεικνύεται ότι η απόδοση της γεωργικής χρήσης νερού ποικίλλει πολύ στις πόλεις του τμήματος της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού. Για την κάλυψη της ζήτησης νερού που απαιτείται για βιώσιμη οικονομική ανάπτυξη, θα πρέπει να αναπτύξουν τεχνολογίες διαχείρισης γεωργικών υδάτων, μεθόδους άρδευσης και βελτίωση της αποδοτικότητας χρήσης του νερού. Οι αποδόσεις των καλλιεργειών στην περιοχή μελέτης δείχνουν ότι η απόδοση της γεωργικής χρήσης νερού αυξήθηκε σημαντικά από το 1998 έως το 2018, υποδεικνύοντας σημαντικές βελτιώσεις στις μεθόδους και τις τεχνολογίες άρδευσης. Αν και το μέσο σύνολο της γεωργικής χρήσης νερού του τμήματος της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού μειώθηκε σημαντικά κατά την περίοδο της μελέτης, οι αποδόσεις των μεγάλων καλλιεργειών παρουσίασαν σαφείς ανοδικές τάσεις την ίδια περίοδο.

''' 3.2. Ανάπτυξη της Αγροτικής Οικονομίας στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού '''

Από το 1998 έως το 2018, το μέσο συνολικό ΑΕΠ των βιομηχανιών του πρωτογενούς τομέα στη μελέτη περιοχής παρουσίασε στατιστικά σημαντική ανοδική τάση, καθώς και το συνολικό ΑΕΠ των βιομηχανιών του πρωτογενούς τομέα αυξήθηκε. Το ΑΕΠ του πρωτογενούς τομέα σε όλες τις πόλεις σε επίπεδο νομών αρχικά αυξήθηκε, σταθεροποιήθηκε, στη συνέχεια μειώθηκε ελαφρά κατά την περίοδο 2012-2013 και τελικά αυξήθηκε και πάλι μετά το 2016. Η αγροτική οικονομία είναι ένα κρίσιμο μέρος της εθνικής οικονομίας. Ωστόσο, υπήρχαν διαφορές μεταξύ ΑΕΠ του πρωτογενούς τομέα στην περιοχή μελέτης ως ποσοστό του συνολικού ΑΕΠ και του πρωτογενούς τομέα ΑΕΠ σε κάθε πόλη ως ποσοστό του συνολικού ΑΕΠ της πόλης. Παρόλα αυτά, όλα τα ποσοστά του πρωτογενούς τομέα του συνολικού ΑΕΠ μειώθηκαν σημαντικά κατά την περίοδο μελέτης. Αυτές οι οικονομικές αλλαγές αποκαλύπτουν την ταχεία ανάπτυξη των βιομηχανιών του δευτερογενούς και τριτογενούς κλάδου, το οποίο αντιπροσωπεύει ένα πολύ μεγαλύτερο μερίδιο του ΑΕΠ από τον πρωτογενή τομέα. Η οικονομία της περιοχής έχει βελτιστοποιηθεί. Τα επίπεδα εκβιομηχάνισης και ο εκσυγχρονισμός που παρατηρείται σήμερα μοιάζει με εκείνους που παρατηρούνται στις ανεπτυγμένες οικονομίες, χαρακτηρίζεται από μεγάλη εισροή κεφαλαίων και εργατικού δυναμικού στους κλάδους των πληροφοριών και των υπηρεσιών.

''' 3.3. Αιτιότητα μεταξύ Γεωργικής χρήσης νερού και Αγροτικής Οικονομίας '''

Όταν πραγματοποιήθηκε η δοκιμή μοναδιαίας ρίζας στο lnW, τα αποτελέσματα έδειξαν ότι απέρριψαν τη μηδενική υπόθεση. Όταν πραγματοποιήθηκε η δοκιμή μοναδιαίας ρίζας σε lnG, είδαμε ότι το lnG δεν μπορούσε να απορρίψει τη μηδενική υπόθεση, υποδεικνύοντας ότι τα αρχικά δεδομένα της ακαθάριστης γεωργικής παραγωγής είχαν μοναδιαίες ρίζες και οι χρονικές στιγμές ήταν μη στάσιμες. Έπειτα, πραγματοποιήσαμε δοκιμές συνολοκλήρωσης στις δύο μεταβλητές για να καθορίσει εάν υπήρχε μακροπρόθεσμη σχέση ισορροπίας μεταξύ των δύο. Καταλήξαμε, ότι υπήρχε μακροπρόθεσμη ισορροπία μεταξύ της γεωργικής χρήσης νερού και της αγροτικής οικονομίας στην περιοχή μας. Οι τιμές με υστέρηση μιας περιόδου τόσο της γεωργικής χρήσης νερού όσο και της αγροτικής οικονομίας ήταν θετική, υποδεικνύοντας ότι και τα δύο επηρεάστηκαν θετικά από την προηγούμενη περίοδο. Βλέπουμε ότι όχι μόνο η αγροτική οικονομική ανάπτυξη εξαρτιόταν από τη δική της ανάπτυξη αλλά και ότι η γεωργική χρήση νερού συνέβαλε σημαντικά στην αγροτική της οικονομία. Επίσης, βλέπουμε ότι μεγαλύτερη γεωργική παραγωγή οδηγεί σε μεγαλύτερη γεωργική χρήση νερού. Ωστόσο, ο συντελεστής υστέρησης της γεωργικής χρήσης νερού ήταν μεγαλύτερος από τον συντελεστή υστέρησης της αγροτικής οικονομίας. Με άλλα λόγια, η γεωργική χρήση νερού τόνωσε την αγροτική οικονομία περισσότερο. Το μοντέλο PVAR μπορεί να αντικατοπτρίσει μόνο την δυναμική μεταξύ μεταβλητών σε μακροοικονομικό επίπεδο. Το τεστ αιτιότητας Granger μεταξύ της αγροτικής οικονομίας και της γεωργικής χρήσης νερού αποκάλυψε ότι η γεωργική χρήση νερού προκάλεσε αύξηση της αγροτικής οικονομίας. Αυτό το αποτέλεσμα δείχνει ότι η αύξηση της γεωργικής χρήσης νερού οδηγεί στην ανάπτυξη της αγροτικής οικονομίας και δεύτερον ότι η ανάπτυξη της αγροτικής οικονομίας βελτιώνει σημαντικά την απόδοση της γεωργικής χρήσης νερού. Αυτό μπορεί να οφείλετε στην τεχνολογική ανάπτυξη, που θα μπορούσε να μειώσει τη ζήτηση για υδατικούς πόρους.

''' 4. ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η γεωργική χρήση νερού παρουσίασε σημαντική πτωτική τάση κατά τη διάρκεια 1998–2018, κυρίως λόγω της συνεχούς βελτίωσης της αποδοτικότητας της γεωργικής χρήσης νερού. Το ΑΕΠ της πρωτογενούς βιομηχανίας παρουσίασε σημαντική αυξητική τάση από το 1998 έως το 2018. Το ΑΕΠ της πρωτογενής βιομηχανίας κάθε πόλης παρουσίασε επίσης σημαντική αυξητική τάση. Ωστόσο, η αναλογία του ΑΕΠ της πρωτογενούς βιομηχανίας στην συνολική αξία παραγωγής παρουσιάζει μια φθίνουσα τάση. Η Κίνα υιοθετώντας το 10ο Πενταετές Σχέδιο για την Εθνική Οικονομική και Κοινωνική Ανάπτυξη, οι οικονομίες των πόλεων σε επίπεδο νομών αναπτύχθηκαν γρήγορα, και η αναλογία του ΑΕΠ του πρωτογενούς τομέα στο συνολικό ΑΕΠ μειώθηκε. Αυτή η μείωση στο ποσοστό του συνολικού ΑΕΠ επιβραδύνθηκε και τελικά σταθεροποιήθηκε. Ωστόσο, επειδή ο ρυθμός ανάπτυξης του πρωτογενούς τομέα ήταν μικρότερος από αυτόν του δευτερογενούς και τριτογενούς τομέα, η αναλογία των πρωτογενών βιομηχανιών στην συνολική οικονομία μειώθηκε σταδιακά. Διαπιστώσαμε ότι στην γεωργική χρήση νερού και στην αγροτική οικονομία σε αυτήν την περιοχή κατά τη περίοδο μελέτης υπάρχει μια μακροπρόθεσμη σχέση ισορροπίας μεταξυ τους. Επιπλέον, η εξάρτηση της αγροτικής οικονομίας από την γεωργική χρήση νερού είναι μεγαλύτερη από εκείνη της γεωργικής χρήσης νερού για την αγροτική οικονομία. Λαμβάνοντας υπόψη τα χαρακτηριστικά των ελλείψεων υδατικών πόρων στην περιοχή μελέτης, τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης συνάδουν με τη λειψυδρία και την αγροτική ανάπτυξη της περιοχής, καθώς η οικονομική ανάπτυξη εξαρτάται περισσότερο από τους υδάτινους πόρους σε περιοχές με σχετική λειψυδρία. Μεταξύ της αγροτικής οικονομίας και της γεωργικής χρήσης νερού είδαμε ότι η γεωργική χρήση νερού προκαλεί αύξηση στη αγροτική οικονομία. Συγκεκριμένα, εκτός από την γεωργική χρήση νερού, η αγροτική οικονομία επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες, όπως από μεθόδους άρδευσης και τη δομή της καλλιέργειας. Σύμφωνα με την αρχή του οριακού αποτελέσματος, η οριακή επίδραση της γεωργικής χρήσης νερού στην αγροτική οικονομική ανάπτυξη θα μειωθεί, γεγονός που μπορεί οδηγήσει σε σπατάλη υδάτινων πόρων. Ως εκ τούτου, θα πρέπει να στοχεύσουμε στη βιώσιμη ανάπτυξη γεωργικών υδάτινων πόρων βελτιώνοντας τις υπάρχουσες τεχνολογίες και βιομηχανικές δομές. Αναλύοντας τα χαρακτηριστικά της χρήσης νερού και της αγροτικής οικονομίας, καθώς και το αποτέλεσμα αλληλεπίδρασης μεταξύ τους, συμπεραίνουμε:
(1) Από το 1998 έως το 2018, η μέση συνολική γεωργική χρήση νερού παρουσίασε σημαντική πτωτική τάση. Ταυτόχρονα, η απόδοση της γεργικής χρήσης νερού αυξήθηκε σημαντικά, και οι αποδόσεις των μεγάλων καλλιεργειών αυξήθηκαν.
(2) Η αγροτική οικονομία της περιοχής αυξήθηκε σημαντικά μεταξύ 1998 και 2018.
(3) Υπάρχει μια σταθερή, μακροπρόθεσμη σχέση συνολοκλήρωσης μεταξύ της γεωργικής χρήσης νερού και της αγροτικής οικονομικής ανάπτυξης, καθώς και αμοιβαία επιρροή. Και οι δύο μεταβλητές επηρεάστηκαν θετικά από την προηγούμενη περίοδο. Περαιτέρω, υπάρχει μονόδρομη αιτιώδης σχέση από την γεωργική χρήση νερού στην αγροτική οικονομική ανάπτυξη.

Σύμφωνα με αυτά τα αποτελέσματα, προτείνουμε ότι η τοπική κυβέρνηση θα πρέπει να αναζητήσει μια πορεία βιώσιμης ανάπτυξης για τους γεωργικούς υδάτινους πόρους με τη βελτίωση του υπάρχοντος επιπέδου γεωργικής τεχνολογίας και τη βελτιστοποίηση της βιομηχανικής δομής για την αύξηση του γεωργικού οικονομικού εισοδήματος.

[[category:Γεωργία]]
[[category:Πρόβλεψη φυτικής απόδοσης]]
[[category:Σχεδιασμός αδρευτικών συστημάτων]]
[[category:Υδατικοί Πόροι]]
[[category:Σχεδιασμός αρδευτικού δικτύου]]

Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών χρησιμοποιώντας GIS και τεχνικές τηλεπισκόπησης

2024-02-24T07:22:54Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Estimation of Crop Water Productivity Using GIS and Remote Sensing Techniques''

'''Συγγραφείς: ''' Zenobia Talpur, Arjumand Z. Zaidi, Suhail Ahmed, Tarekegn Dejen Mengistu, Si-Jung Choi, Il-Moon Chung

'''Δημοσιεύθηκε: '''''Sustainability 2023, 15, 11154. https://doi.org/10.3390/su151411154 ''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Γεωργία, υδατικοί πόροι, καλλιέργειες

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών στην περιοχή της Σινδ '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_G_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Θέση της περιοχής μελέτης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Τύποι και πηγές δεδομένων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' (a) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Rabi, (b) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Kharif , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2014–2015), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2016–2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (2017), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας σιταριού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας βαμβακιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας ρυζιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

Ο αγροτικός τομέας καταναλώνει το 90% του παγκόσμιου νερού, από το οποίο το 40% των καλλιεργειών παράγεται μέσω του συστήματος άρδευσης. Η μη βιώσιμη γεωργία δεν μπορεί να επιτύχει τις διατροφικές απαιτήσεις για τον αυξανόμενο πληθυσμό και ο αγροτικός τομέας αντιμετωπίζει προκλήσεις χαμηλής παραγωγικότητας νερού των καλλιεργειών, έτσι η χρήση του νερού πρέπει να βελτιστοποιηθεί για να παράγει περισσότερα τρόφιμα. Ο αγροτικός τομέας του Πακιστάν συνεισφέρει το 24% της Ακαθάριστης Εγχώριας Παραγωγής και απασχολεί το 45% του συνολικού εργατικού δυναμικού του. Το Πακιστάν έχει δύο κύριες περιόδους καλλιέργειας - Rabi and Kharif. Η καλλιέργεια Kharif εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ποσότητα και την κατανομή των βροχοπτώσεων, ειδικά κατά την περίοδο των μουσώνων. Το σύστημα καναλιών του ποταμού Ινδού υποστηρίζει κυρίως τη γεωργία. Το φράγμα Sukkur είναι το παλαιότερο από αυτά. Πριν από το φράγμα Sukkur, χτίστηκε το κανάλι Rohri μήκους 350 χιλιομέτρων, ένα από τα παλαιότερα κανάλια, το οποίο ποτίζει αγροκτήματα στην αριστερή όχθη του ποταμού Ινδού κάτω από το φράγμα Sukkur και περίπου 2,9 εκατομμύρια στρέμματα γεωργικής γης αντλούν νερό από αυτό σε εννέα περιοχές. Επίσης, ποτίζει εδάφη μέχρι την παράκτια περιοχή της Σινδ για οπωρώνες και περιοχές όπου καλλιεργούνται καλλιέργειες όπως το ζαχαροκάλαμο, το βαμβάκι και το σιτάρι. Η φθίνουσα διαθεσιμότητα νερού στο Πακιστάν είναι ανησυχητική, λόγω της ταχείας αστικοποίησης και εκβιομηχάνισης τα τελευταία πενήντα χρόνια. Εκτός από τον ποταμό Ινδό, άλλοι υδατικοί πόροι στο Πακιστάν είναι τα υπόγεια ύδατα και η βροχόπτωση. Ωστόσο, τα υπόγεια ύδατα εξαντλούνται με τεράστιο ρυθμό λόγω της εκτεταμένης υπερεκμετάλλευσης. Η ανάγκη για άρδευση έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία 20 χρόνια λόγω της επέκτασης της περιοχής καλλιέργειας. Η παροχή νερού ήταν μικρότερη από το 26% των απαιτήσεων σε νερό των καλλιεργειών το καλοκαίρι του 2012, ενώ το χειμώνα, ήταν περίπου 20% πλεόνασμα. Ο ποταμός Ινδός έχει παραγωγικότητα 54%, ενώ η παραγωγικότητα του αρδευτικού συστήματος της Σινδ είναι μόλις 35%. Το κύριο πρόβλημα διαχείρισης του νερού είναι η έλλειψη νερού στις αρχές της περιόδου που ακολουθείται από υπερβολικό νερό με την έναρξη των μουσώνων. Οι αρχές της αποδοτικότητας του νερού βοηθούν στην αξιολόγηση της τρέχουσας παραγωγής και στη διερεύνηση στρατηγικών για την εξοικονόμηση πραγματικού νερού από τα χωράφια στις λεκάνες απορροής. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι η ιδέα να αξιοποιήσετε στο έπακρο τις καλλιέργειες, τα ζώα και άλλα πράγματα, ενώ χρησιμοποιείτε τη λιγότερη δυνατή ποσότητα νερού. Τα δεδομένα σχετικά με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται από τις καλλιέργειες πρέπει να λαμβάνονται ως προαπαιτούμενο πριν από τη χρήση αυτής της στρατηγικής. Η χρήση τιμών εξατμισοδιαπνοής (ET) για την επίλυση απλών εξισώσεων για τον προσδιορισμό της ποσότητας του νερού που καταναλώνεται μπορεί, επομένως, να είναι μια λύση σε αυτό το χρονικά περιορισμένο πρόβλημα. Οι πραγματικές μετρήσεις εξατμισοδιαπνοής (ETa) λαμβάνονται από δορυφορικές φωτογραφίες για επεξεργασία. Αυτή η μελέτη αναλύει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) και τη παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών σιταριού, ρυζιού και βαμβακιού σε εννέα περιοχές της Σινδ εντός της περιοχής διοίκησης του Καναλιού Rohri και θα βοηθήσει στον εντοπισμό περιοχών υψηλών γεωργικών επιδόσεων και θα παρέχει πληροφορίες για τη διαχείριση του συστήματος άρδευσης, οδηγώντας σε βιώσιμη παραγωγικότητα του νερού. Η τηλεπισκόπηση παρέχει μεγάλης κλίμακας δεδομένα εξατμισοδιαπνοής. Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε μια ισχυρή πύλη δεδομένων που βασίζεται στην τηλεπισκόπηση — ροή εξατμισοδιαπνοής του Google Earth Engine (EEFlux) που βασίζεται στη «Χαρτογράφηση εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερική βαθμονόμηση (METRIC)». Αυτός ο ιστότοπος δεδομένων έχει μεγάλες δυνατότητες εκτίμησης του ETa. Το METRIC είναι μια τροποποιημένη έκδοση του «Αλγόριθμου Επιφανειακής Εξισορρόπησης Ενέργειας για Γη (SEBAL), που χρησιμοποιείται στις μέρες μας για τη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής. Το METRIC απαιτεί χειροκίνητες επιλογές εικονοστοιχείων, επομένως έχουν αναπτυχθεί μοντέλα αυτόματης βαθμονόμησης λόγω αβεβαιότητας που μπορεί να προκύψει κατά τη βαθμονόμησή του με διαφορετικούς χρήστες. Τα αυτόματα μοντέλα απαιτούν επίσης τεράστια προεπεξεργασία, όπως η συναρμολόγηση διαφόρων στρωμάτων, το τοπικό κλίμα, τα δορυφορικά δεδομένα, οι χρήσεις γης/κάλυψη, οι χάρτες εδάφους και η εισαγωγή δεδομένων. Το EEFlux όχι μόνο παρέχει έναν αυτόματο μηχανισμό εισαγωγής δεδομένων, αλλά συνδέεται επίσης με το Google Earth Engine (GEE) με τον αλγόριθμο METRIC και παρέχει χάρτες για το Landsat 5, 7, ή 8. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν εικόνες Landsat 5 και 8. 

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Περιγραφή της Περιοχής Μελέτης '''

Το κανάλι Rohri είναι ένα κύριο συστατικό του γεωργικού τομέα στη Σινδ και είναι ένα τεχνητό κανάλι χτισμένο στο φράγμα Sukkur με 2,6 εκατομμύρια στρέμματα για άρδευση. Η περιοχή διοίκησης του καναλιού Rohri καλύπτει και παρέχει νερό σε μεγάλα τμήματα των εννέα περιοχών της Σινδ και βρίσκεται σε θερμό κλίμα με ετήσια βροχόπτωση που δεν υπερβαίνει τα 200 mm και ελάχιστη θερμοκρασία 18 ◦C. Οι κύριες καλλιέργειες που παράγονται σε αυτές τις περιοχές είναι το βαμβάκι και το σιτάρι. Το ρύζι καλλιεργείται επίσης σε αυτήν την περιοχή, αλλά δεν συγκαταλέγεται στις κύριες καλλιέργειες. 

''' 2.2. Μεθοδολογία '''

Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών ορίζεται ως η αναλογία της απόδοσης της καλλιέργειας διαιρούμενη με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται για την παραγωγή της και υπολογίστηκε για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι για τη περίοδο Kharif (1998 και 2017) και Rabi (2014–2015 και 2016–2017). Μετρήθηκε σε kg/m3 και οι χρήσεις του νερού των καλλιεργειών, ή ETa, υπολογίζονται από δεδομένα τηλεπισκόπησης. Χρησιμοποιώντας δορυφορικά δεδομένα, η χρήση του νερού των καλλιεργειών μπορεί να μετρηθεί σε μεγαλύτερες χρονικές και χωρικές κλίμακες. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως η άρδευση, η γονιμότητα του εδάφους, ο έλεγχος παρασίτων και ασθενειών και συχνά αυξάνεται από οποιονδήποτε διαχειριστικό παράγοντα που βελτιώνει την παραγωγή των καλλιεργειών, καθώς η εξατμισοδιαπνοή είναι συνήθως λιγότερο αντιδραστική στις αλλαγές αυτών των παραγόντων από την απόδοση. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι απαραίτητη για την κατανόηση της σχέσης μεταξύ νερού και τροφής και οι τιμές της για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι εκτιμήθηκαν χρησιμοποιώντας την εξίσωση (1): 

<center> ''' CWP = y (Yield) /ETa , (1) ''' </center>

όπου, η CWP είναι η Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών (kg/m3 ), το y αντιπροσωπεύει την απόδοση (kg/m2 ), το ETa είναι η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (m3/ha1). Για αυτήν τη μελέτη, η αρδευόμενη περιοχή και οι αποδόσεις σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού ελήφθησαν από το τμήμα υπηρεσιών αναφοράς καλλιεργειών στο Χαϊντεραμπάντ. 

''' 2.3. Σύνολα δεδομένων '''

''' 2.3.1. Δεδομένα καλλιεργειών '''

Τα δεδομένα για τις καλλιέργειες ελήφθησαν από τη στατιστική έκθεση της Σινδ και το τμήμα γεωργίας.

''' 2.3.2. Crop Masks '''

Crop Masks μπορεί να οριστεί ως η χωρική πληροφορία της κατανομής των διαφόρων καλλιεργειών. Crop Masks για το σιτάρι (2013–2014), το βαμβάκι και το ρύζι (2014–2015) αναπτύχθηκαν από τον Οργανισμό Τροφίμων και Γεωργίας και το Υπουργείο Γεωργίας των Ηνωμένων Πολιτειών ως μέρος του έργου «Γεωργικό Πληροφοριακό Σύστημα - Δημιουργία επαρχιακής ικανότητας στο Πακιστάν για την εκτίμηση, την πρόβλεψη και την αναφορά των καλλιεργειών με βάση την ολοκληρωμένη χρήση των δεδομένων τηλεπισκόπησης». Οι δορυφορικές εικόνες SPOT-5 έχουν χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή αυτών των Crop Masks. 

''' 2.3.3. Εξατμισοδιαπνοή Αναφοράς'''

Για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr), υποθέσαμε ότι η γη ήταν καλυμμένη με γρασίδι και υπολογίσαμε την εξατμισοδιαπνοή από αυτό το γρασίδι. Για τη λεκάνη του Ινδού, σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιούνται τιμές εξατμισοδιαπνοής αναφοράς χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Penman–Monteith.

''' 2.3.4. Δεδομένα Τηλεπισκόπησης '''

Οι εικόνες Landsat λαμβάνονται από την πύλη Earth Engine Evapotranspiration Flux (EEFlux), η οποία παρέχει επεξεργασμένες εικόνες Landsat 5 και 8. Βασίζεται στη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερικοποιημένη βαθμονόμηση και η διαδικασία που βασίζεται στην εικόνα Landsat λειτουργεί στο σύστημα Google Earth Engine. Η χρονική ανάλυση είναι 16 ημέρες με χωρική ανάλυση 30 m. Χρησιμοποιώντας την εξίσωση Penman-Monteith, το EEFlux περιλαμβάνει σύστημα αφομοίωσης δεδομένων γης της Βόρειας Αμερικής για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr). Τα έτη 1998, 2017, 2014–2015 και 2016–2017 επιλέχθηκαν με βάση τις χαμηλές και υψηλές ροές που προέκυψαν από τα δεδομένα ροής χρησιμοποιώντας την ανάλυση συχνότητας. 

''' 2.3.5. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Το EEFlux παρέχει βαθμονομημένες εικόνες που αποδίδουν μια τιμή εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr) σε κάθε εικονοστοιχείο και η τιμή της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) ανά ημέρα υπολογίστηκε πολλαπλασιάζοντας την ETr και την πιθανή εξατμισοδιαπνοή ETo. Εικόνες Landsat εξήγαγαν την ETr από τις καλλιέργειες σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού. Οι ημερομηνίες αναφοράς του παράγοντα εξατμισοδιαπνοής (ETrf) επιλέχθηκαν από τα Πρότυπα του Τμήματος Άρδευσης της Σινδ και από τη χρονική περίοδο των σταδίων ανάπτυξης της καλλιέργειας από την αρχική έως την ωριμότητα. Ωστόσο, κάθε καλλιέργεια έχει διαφορετικές χρονικές περιόδους ανάπτυξης. Η ETa θεωρείται ως κατάλοιπο του ενεργειακού ισοζυγίου της επιφάνειας. Δίνεται στην Εξίσωση (2).

<center> ''' LE = Rn − H − G, (2) ''' </center>

όπου, LE είναι η λανθάνουσα ροή θερμότητας, Rn είναι καθαρή ακτινοβολία, G είναι ροή θερμότητας του εδάφους και H είναι αισθητή ροή θερμότητας. Ο ETrF (συντελεστής εξατμισοδιαπνοής αναφοράς) υπολογίστηκε με την Εξίσωση (3) και η σωρευτική ETa για κάθε εποχή υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας την Εξίσωση (4) για διαφορετικές φάσεις ανάπτυξης της καλλιέργειας, συμπεριλαμβανομένων των σταδίων αρχικής, ανάπτυξης, ανθοφορίας και ωριμότητας. 

<center> ''' ETrF = ETa/ETr(Re f erence ET) , (3) ''' </center>

<center> ''' ETseason = ETrFseasonΣ n q ETr−24, (4) ''' </center>

όπου, το ETrf αντιπροσωπεύει το ET αναφοράς για μια συγκεκριμένη περίοδο σταδίου ανάπτυξης, το ETr−24 είναι ένα ημερήσιο ET αναφοράς για συγκεκριμένο αριθμό ημερών, το n υποδηλώνει αριθμό ημερών και ελήφθησαν οι τιμές ETr της απαιτούμενης περιοχής εντολής καναλιού. 

''' 2.4. Ημερολόγια καλλιεργειών '''

Το ημερολόγιο καλλιεργειών διαφέρει για διαφορετικές περιοχές αλλά και από καλλιέργεια σε καλλιέργεια, όπως το σιτάρι που καλλιεργείται στο Rabi και το βαμβάκι που καλλιεργείται στο Kharif. Για τον υπολογισμό της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) χρησιμοποιήθηκαν ημερολόγια καλλιέργειας για τις μεσαίες και κατώτερες περιοχές της Σινδ. Οι ημερομηνίες για το μεσαίο και το κάτω μέρος της Σινδ είναι διαφορετικές για τη σπορά και τη συγκομιδή, δηλαδή, το αρχικό στάδιο σποράς στην κάτω Σινδ ξεκινά ένα μήνα νωρίτερα απ'οτι στη μεσαία. Η καλλιέργεια σιταριού της εποχής Rabi ξεκινά τον Οκτώβριο και τον Νοέμβριο, αντίστοιχα, στα κάτω και στα ανώτερα τμήματα της επαρχίας. Αντίθετα, οι καλλιέργειες βαμβακιού και ρυζιού καλλιεργούνται την περίοδο Kharif από τον Απρίλιο. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΕΙΣ '''

''' 3.1. Ροές ποταμών '''

Αξιολογήθηκαν οι ετήσιες εποχιακές ροές. Ωστόσο, η εξίσωση (4α) δείχνει το μέσο διάστημα δύο εκφορτίσεων ίσου (ή μεγαλύτερου) μεγέθους σε χρόνια μεταξύ των εμφανίσεων που είναι γνωστό ως Διάστημα Υποτροπής (RI). 

<center> ''' RI = (Ν + 1)/Μ , (4α) ''' </center>

όπου, RI = Διάστημα υποτροπής, N = Μέγιστη Ετήσια Απόρριψη, Μ = Κατάταξη (για τη μεγαλύτερη κατάταξη ροής M = 1 και τη μικρότερη κατάταξη ροής M = n ή 21 σε αυτήν τη μελέτη). Η εξίσωση (4β) μπορεί να ορίσει μια πιθανότητα ενός δεδομένου μεγέθους μιας πλημμύρας κάθε χρόνο.

<center> ''' P = (1/RI)× 100 , (4β) ''' </center>

σύμφωνα με τις ροές της σεζόν Rabi από το 1998–1999 έως το 2018–2019 του φράγματος Sukkur, οι τάξεις κατανεμήθηκαν και ταξινομήθηκαν σε υψηλή, μεσαία και χαμηλή. Η πιθανότητα υπέρβασης (P) έχει υπολογιστεί για την εποχή Rabi κατά την οποία καλλιεργούνται οι καλλιέργειες σιταριού. Υπήρξε υψηλή ροή το 2014–2015 και η μέση ροή καταγράφηκε το 2003–2004. Τα έτη 2016-2017 θεωρήθηκε μέσης ροής, ενώ το 2001-2002 θεωρήθηκε έτος χαμηλής ροής. Οι ροές της εποχής Kharif από το 1998 έως το 2017 του φράγματος Sukkur κατηγοριοποιήθηκαν και αυτές ως υψηλές, μεσαίες και χαμηλές. Το 2010 λόγω της πλημμύρας του ποταμού, προκαλεί ζημιές στη Σινδ, ενώ το 1998 επιλέχθηκε ως το έτος υψηλής ροής (επόμενο υψηλότερο μετά το 2010). Το έτος μέσης ροής ήταν το 2017 και το έτος χαμηλής ροής ήταν το 2004. Σε αυτή τη μελέτη αναλύθηκαν καλλιέργειες ρυζιού και βαμβακιού που καλλιεργήθηκαν την περίοδο Kharif. 

''' 3.2. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Υπολογίστηκε η πραγματική μηνιαία εξατμισοδιαπνοή, η οποία υπολογίζει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας (CWP). Μπορεί να παρατηρηθεί ότι το αρχικό στάδιο έχει τη χαμηλότερη ETa, ενώ το στάδιο της ανθοφορίας έχει την υψηλότερη εξατμισοδιαπνοή αφού σε αυτό το στάδιο απαιτείται περισσότερο νερό για την ανάπτυξη των φυτών.

''' 3.2.1. Καλλιέργεια Σιταριού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή έχει υπολογιστεί χρησιμοποιώντας crop masks για τα τέσσερα στάδια: αρχικό, ανάπτυξη της καλλιέργειας, ανθοφορία και ωριμότητα. Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή της εποχής Rabi της καλλιέργειας σίτου, υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας τα ETrf και ETr. Η ETa είναι χαμηλή στο αρχικό στάδιο, καθώς είναι το στάδιο της σποράς, ενώ η ETa ήταν υψηλότερη στο στάδιο της ανθοφορίας (2014–2015). Η τιμή της ETa για την περίοδο 2016–2017 είναι χαμηλότερη από την τιμή για την περίοδο 2014–2015.

''' 3.2.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή ήταν περισσότερη για την καλλιέργεια βαμβακιού παρά για το σιτάρι. Την περιόδο Kharif του 1998 η ροή ήταν υψηλή, ενώ την υψηλότερη τιμή ETa είχε το 2017, υψηλότερη από το 1998. Το 2017 οι ροές ήταν κανονικές/μέτριες. Αυτό δείχνει ότι οι υψηλότερες ροές δεν συνδέονται απαραίτητα με υψηλότερες τιμές ETa. 

''' 3.2.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας ρυζιού το 1998, ήταν υψηλότερη από το σιτάρι και το βαμβάκι, καθώς το ρύζι καταναλώνει περισσότερο νερό. Το ρύζι δεν είναι η κύρια καλλιέργεια της Σινδ, ωστόσο, καλλιεργείται στις συνοικίες της, ενώ, απαγορεύεται στην Κάτω Σινδ λόγω λειψυδρίας. 

''' 3.3. Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών Κύριων Καλλιεργειών '''

''' 3.3.1. Καλλιέργεια Σιταριού (2014-2015 και 2016-2017) '''

Η μέση παγκόσμια CWP σιταριού είναι 0,86 kg/m3 έως 1,80 kg/m3. Υπάρχουν τρεις παγκόσμιες κατηγορίες για CWP σίτου: χαμηλή (<= 0,75 kg/m3), μεσαία (> 0,75 kg/m3 έως < 1,10 kg/m3) και υψηλή (>= 1,10 kg/m3). Για το Πακιστάν, η μέση CWP είναι 0,80 kg/m3 έως 0,91 kg/m3, η οποία εμπίπτει στη μεσαία κατηγορία. Υπήρξε υψηλότερη ροή το 2014-2015, ενώ το 2016-2017 ήταν μέτρια. Η μέση CWP για την καλλιέργεια σιταριού ήταν 1,03 kg/m3 το 2014–2015 και 1,02 kg/m3 το 2016-2017. Συνολικά, η CWP της καλλιέργειας σιταριού είναι κάτω από το αναφερόμενο εύρος, δηλαδή μεταξύ 0,32 kg/m3 έως 1,08 kg/m3. Λόγω της υπερχείλισης, της αλατότητας, των συνθηκών του εδάφους και της έλλειψης διαθεσιμότητας υπόγειων υδάτων, η CWP της Σινδ είναι μικρότερη από το Παντζάμπ. Η απόδοση σιταριού της Σινδ είναι 33% μικρότερη από την απόδοση σιταριού του Παντζάμπ.

''' 3.3.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Για τα έτη 1998 και 2017, την εποχή Kharif, οι τιμές CWP της καλλιέργειας βαμβακιού ήταν σταθερές. Οι μέσες CWP της περιοχής μελέτης των καλλιεργειών βαμβακιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,12 kg/m3 και 0,16 kg/m3,αντίστοιχα. 

''' 3.3.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Οι περισσότερες από τις καλλιέργειες που επιλέχθηκαν σε αυτή τη μελέτη είναι κύριες καλλιέργειες, εκτός από το ρύζι. Το ρύζι είναι μια από τις άλλες καλλιέργειες που η κυβέρνηση της Σινδ απαγόρευσε λόγω της έλλειψης νερού, ωστόσο, το ρύζι καλλιεργήθηκε το 1998 σε όλη τη Σινδ. Συνολικά, οι μέσες τιμές CWP ρυζιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,32 kg/m3 και 0,54 kg/m3, αντίστοιχα. Δεδομένου ότι το ρύζι δεν απαγορεύτηκε το 1998 στην περιοχή μελέτης, το νερό για άλλες καλλιέργειες χρησιμοποιήθηκε για το ρύζι. Οι άλλες καλλιέργειες πήραν αρκετό νερό μετά τη διακοπή της καλλιέργειας ρυζιού.

''' 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Αυτή η μελέτη υπολόγισε την παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών (CWP) του σιταριού, του βαμβακιού και του ρυζιού του Καναλιού Rohri, χρησιμοποιώντας δεδομένα τηλεπισκόπησης στο περιβάλλον GIS. Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή υπολογίστηκε για τις εννέα περιοχές για δύο εποχές Rabi (2014 -2015 και 2016–2017) και δύο εποχές Kharif (1998 και 2017). Τα έτη επιλέχθηκαν με βάση τις υψηλές και μέτριες ροές που περνούσαν από το φράγμα Sukkur. Η ETa εξαρτάται από τον τύπο της καλλιέργειας, διότι ορισμένες καλλιέργειες χρειάζονται περισσότερο νερό από άλλες. Τα αποτελέσματα της μελέτης συνόψισαν ότι η εκτίμηση της πραγματικής ET είναι ζωτικής σημασίας για τη διαχείριση του νερού άρδευσης και των συνθηκών καταπόνησης των καλλιεργειών. Αυτή η χρήση του μοντέλου EEFlux για τη λήψη εικόνων ETrf είναι εφικτή για την επεξεργασία τους με ελάχιστη προσπάθεια. Η μέση CWP της καλλιέργειας σιταριού για την περίοδο 2014–2015 και 2016–2017 ήταν, αντίστοιχα, 1,03 kg/m3 και 1,02 kg/m3, ενώ η CWP αυξήθηκε το έτος 2014–2015 σε σύγκριση με το 2016–2017. Υπάρχει περιορισμός δεδομένων σε τρεις περιφέρειες (Matiyari, Tando Allahyar και Tando Muhammad Khan) σχετικά με την περιοχή καλλιέργειας και την παραγωγή βαμβακιού και ρυζιού το 1998, επομένως, υπολογίστηκε η μέσα CWP βαμβακιού και ρυζιού μόνο για έξι περιοχές. Το 1998, συνολικά, η CWP αυξήθηκε και για τις δύο καλλιέργειες, ωστόσο, το ρύζι έχει απαγορευτεί από την κυβέρνηση της Σινδ λόγω της έλλειψης νερού. Το ρύζι παίρνει περισσότερο νερό από άλλες καλλιέργειες και το εξοικονομημένο νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οικιακούς και βιομηχανικούς σκοπούς. Η CWP επηρεάζεται από γεωργικές πρακτικές που περιλαμβάνουν προετοιμασία γης, μεθόδους σποράς, ποιότητα σπόρων και εδάφους, εφαρμογή νερού και λιπασμάτων και έλεγχο ζιζανίων και παρασίτων. Η προτεινόμενη προσέγγιση είναι αρκετά εφικτή και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διαφορετικές περιοχές με διάφορες καλλιέργειες, ενώ προωθούνται τεχνικές τηλεπισκόπησης για την αποτελεσματική διαχείριση της φυτικής παραγωγής. 

[[category:Γεωργία]]
[[category:Υδατικοί Πόροι]]
[[category:Παρακολούθηση εδαφικής υγρασίας, εξατμισοδιαπνοής]]

Αξιολόγηση βλάστησης βάσει τηλεπισκόπησης σε τοποθεσίες ορυχείων μετά το κλείσιμό τους στον Καναδά

2024-02-24T07:20:13Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Remote Sensing-Based Revegetation Assessment at Post-Closure Mine Sites in Canada''

'''Συγγραφείς: ''' Sam Gordon, Xiaoyong Xu and Yanyu Wang

'''Δημοσιεύθηκε: ''' ''Sustainability 2023, 15, 11287. https://doi.org/10.3390/su151411287''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Βλάστηση, μέθοδοι κάλυψης γης

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Αξιολόγηση βλάστησης σε τοποθεσίες ορυχείων του Καναδά '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_CAN_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Λίστα με επιλεγμένες τοποθεσίες ορυχείων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Η γεωγραφική κατανομή των επιλεγμένων θέσεων ορυχείων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' Το NDVI αλλάζει με το έτος (συμπαγείς γραμμές) για τις τοποθεσίες του ορυχείου μελέτης. Οι γραμμές παύλα υποδηλώνουν τις γραμμές τάσης γραμμικής παλινδρόμησης για τις αλλαγές NDVI, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' Οι κλίσεις γραμμικής παλινδρόμησης (ρυθμοί) για το NDVI αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου στις τοποθεσίες μελέτης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1989 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο ορυχείο Pine Point. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1997 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο Wapisiw Lookout. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1984 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνεσυση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στην τοποθεσία Gateway Hill. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο της τοποθεσίας υπερφόρτωσης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1984 και (b) 2021, καθώς και (c) ο εντοπισμός αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο Highmont. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1992 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο Stanrock TMA. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_10.png | thumb| right|'''Εικόνα 10.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1984 και (b) 2021, καθώς και (c) ο εντοπισμός αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο ορυχείο Clinton Creek. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο της μονάδας απορριμάτων βράχου του Clinton Creek, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_11.png | thumb| right|'''Εικόνα 11.''' '' Σχέδιο διασποράς του έτους κλεισίματος της τοποθεσίας έναντι του έτους 2021 όσον αφορά τις τιμές RI στις έξι τοποθεσίες ορυχείων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

Ο τομέας εξόρυξης διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην οικονομία του Καναδά διότι η βιομηχανία εξόρυξης συνεισέφερε το 5% του ονομαστικού ΑΕΠ του Καναδά το 2019 και επίσης υποστηρίζει τεράστια ποσά τοπικής απασχόλησης, ειδικά για αυτόχθονες πληθυσμούς στον Καναδά. Επιπλέον, η απασχόληση που σχετίζεται με την εξόρυξη μπορεί να μεταφέρει περαιτέρω τα οφέλη από την ανάπτυξη των πόρων στην τοπική οικονομία. Ωστόσο, η εξόρυξη θα μπορούσε να προκαλέσει μια σειρά περιβαλλοντικών ζητημάτων (π.χ. διαταραγμένα εδάφη, μόλυνση εδάφους και υδάτινων πόρων και απώλεια βιοποικιλότητας). Η κάλυψη γης και η αλλαγή χρήσης γης θα επηρεάσουν την απορρόφηση άνθρακα, επιδεινώνοντας την υπερθέρμανση του πλανήτη και τους τοπικούς κλιματικούς κινδύνους. Έτσι, μία από τις πιο σημαντικές πρακτικές για τη βιώσιμη ανάπτυξη των εργασιών εξόρυξης είναι η αποκατάσταση της βλάστησης, του εδάφους, της βιοποικιλότητας και των οικολογικών διεργασιών των διαταραγμένων εδαφών σε περιοχές μετά το κλείσιμο ορυχείων, προσφέροντας φυσικά, χημικά και βιολογικά οφέλη σε ανακτημένες τοποθεσίες ορυχείων, οι οποίες μπορούν να ανακτήσουν την ικανότητά τους να αποθηκεύουν άνθρακα και άζωτο. Στον Καναδά, πολλές από τις τοποθεσίες ορυχείων είχαν συνήθως υποστεί αποκατάσταση μέσω φυσικής διαδοχής μετά από διαταραχή, η οποία είναι γνωστή ως αυθόρμητη αναβλάστηση ή παθητική αποκατάσταση. Άλλη μέθοδος είναι η ενεργή αποκατάσταση κατά την οποία σχεδιάζονται και υλοποιούνται έργα αποκατάστασης γης σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο λειτουργίας του οικοσυστήματος, βελτιώνοντας την ακεραιότητα του περιφερειακού οικοσυστήματος και την κοινωνική-οικολογική ανθεκτικότητα. Μια παθητική ανάκτηση μπορεί να αυξήσει τη βιοποικιλότητα και τις οικολογικές λειτουργίες με σχετικά χαμηλές οικονομικές δαπάνες, αλλά συνήθως οδηγεί σε πιο αργή ανάκτηση και λιγότερο έλεγχο των ιδιοτήτων του οικοσυστήματος, ενώ μια ενεργή ανάκτηση και βλάστηση μπορεί να διευκολύνει και να επιταχύνει την ανάκαμψη του τοπίου και του οικοσυστήματος. Η μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της αλλαγής της κάλυψης γης είναι ένα σημαντικό στοιχείο των πρακτικών βιώσιμης αποκατάστασης που σχετίζονται με διαταραχές από τις εξορυκτικές εργασίες. Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αξιολόγηση της έκτασης της αναβλάστησης του ορυχείου, καθώς, η τηλεπισκόπηση προσφέρει τα πλεονεκτήματά της (π.χ. καλύτερη χωρική κάλυψη, λιγότερα εργατικά και οικονομικά έξοδα) στην παρακολούθηση της αλλαγής της κάλυψης γης. Οι μέθοδοι τηλεπισκόπησης χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο για την ανίχνευση της αποκατάστασης και της αναβλάστησης του ορυχείου στον Καναδά τις τελευταίες δεκαετίες. Χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα πολλαπλών χρονικών πολυφασματικών ή υπερφασματικών εικόνων για την εξαγωγή των δεικτών βλάστησης ή/και των ταξινομημένων τύπων κάλυψης γης, τα οποία στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για την παρακολούθηση της αναβλάστησης του ορυχείου. Επιπλέον, οι τεχνικές τηλεπισκόπησης έχουν εφαρμοστεί για την αξιολόγηση της αποκατάστασης και της αναβλάστησης σε τοποθεσίες ορυχείων σε όλο τον κόσμο, όπως στην Αυστραλία, τη Βραζιλία, την Κίνα, την Ευρώπη και τις ΗΠΑ. Αν και έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στην αξιολόγηση βάσει τηλεπισκόπησης της αναβλάστησης του ορυχείου και της οικολογικής αποκατάστασης στον Καναδά, οι περισσότερες από τις αξιολογήσεις επικεντρώθηκαν μόνο στη συμπεριφορά ανάκτησης και αναβλάστησης σε μία τοποθεσία ορυχείου. Υπάρχει έλλειψη πληροφοριών σχετικά με το πόσο διαφορετικά συμπεριφέρθηκε η ανάκτηση του τοπίου σε διαφορετικές τοποθεσίες, έτσι, η παρούσα μελέτη χρησιμοποιεί τεχνικές τηλεπισκόπησης για να εξετάσει την αλλαγή της κάλυψης της βλάστησης στο χώρο και το χρόνο σε πολλαπλές τοποθεσίες ορυχείων σε ολόκληρο τον Καναδά.

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Τοποθεσίες εξόρυξης '''

Η παρούσα μελέτη συγκρίνει την απόδοση των ανακτημένων τοποθεσιών ορυχείων στον Καναδά, επιλέγοντας τις ακόλουθες τοποθεσίες ορυχείων μετά το κλείσιμο: Pine Point Mine στα βορειοδυτικά εδάφη του Καναδά, Wapisiw Lookout, Gateway Hill, Highmont στη Βρετανική Κολομβία, Stanrock στο Οντάριο και Clinton Creek Mine στο Γιούκον. Το Pine Point Mine ήταν ένα ανοιχτό ορυχείο μολύβδου-ψευδάργυρου με έδρα το Βανκούβερ του Καναδά. Οι εργασίες εξόρυξης ξεκίνησαν το 1964, σταμάτησαν το 1988 και καθ' όλη τη διάρκεια των εργασιών, εξορύχθηκαν περίπου 70 εκατομμύρια τόνοι μεταλλεύματος. Η περιοχή διαχείρησης απορριμάτων ήταν περίπου 700 εκτάρια και περιείχε περίπου 54 εκατομμύρια τόνους απορριμμάτων. Με το κλείσιμο του ορυχείου εφαρμόστηκε σχέδιο εγκατάλειψης και αποκατάστασης, ωστόσο, κυριαρχεί μια παθητική αποκατάσταση στο Pine Point Mine τις τελευταίες δεκαετίες. Τόσο το Wapisiw Lookout όσο και το Gateway Hill βρίσκονται στην άμμο πετρελαίου Athabasca στη βόρεια Αλμπέρτα. Η λίμνη απορριμμάτων Wapisiw Lookout (περίπου 220 εκτάρια) ξεκίνησε τη λειτουργία της το 1967 και παροπλίστηκε το 1997. Οι ενεργές προσπάθειες αποκατάστασης περιελάμβαναν κυρίως μεταφορά των απορριμμάτων από τη λίμνη σε διαφορετική τοποθεσία για επεξεργασία, γεμίζοντας τη λίμνη με καθαρή άμμο καλυμμένη με παχύ στρώμα φυτικού εδάφους και φύτευση καλλιεργειών, χόρτων και δέντρων. Κατά την περίοδο 2009–2010, χρειάστηκαν περίπου 65.000 φορτηγά με υλικά αποκατάστασης, ενώ, το 2010 φυτεύτηκαν πάνω από 620.000 δέντρα, θάμνοι και χόρτα. Η τοποθεσία είναι σε μόνιμη αποκατάσταση από το 2010, ενώ, το Gateway Hill που καλύπτει μια έκταση περίπου 104 εκταρίων, χρησιμοποιήθηκε ως απόθεμα υπερκείμενων υλικών για τις εργασίες εξόρυξης αντί για αποθήκευση απορριμμάτων ή άλλων δυνητικά μολυσμένων υλικών. Η περιοχή σταμάτησε τις εξορυκτικές της δραστηριότητες στις αρχές της δεκαετίας του 1980 και αναβλαστήθηκε με δέντρα και θάμνους. Η τοποθεσία Gateway Hill έλαβε επίσημο πιστοποιητικό ανάκτησης από την κυβέρνηση της Αλμπέρτα το 2008 και πιστοποιήθηκε ως δασώδης λοφώδης έκταση (~104 εκτάρια). Τα οικοσυστήματα περιλαμβάνουν κυρίως δάσος ελάτης, δάσος με πεύκα, λιβάδια και υγρότοπους. Η εγκατάσταση αποθήκευσης απορριμμάτων Highmont ανήκει στο ορυχείο Highland Valley Copper στη νότιο-κεντρική Βρετανική Κολομβία. Το Highland Valley Copper είναι ένα από τα μεγαλύτερα ανοιχτά ορυχεία στον κόσμο χαλκού και μολυβδαινίου και το Highmont (περίπου 220 εκτάρια) χρησιμοποιήθηκε για τη διαχείριση των απορριμμάτων από το 1980 έως το 1984. Η αποκατάσταση αυτού του ορυχείου βασίστηκε σε ένα σχέδιο τελικής χρήσης γης, ενώ, η περιοχή Highmont έχει αναβλαστήσει κυρίως μέσω της εγκατάστασης υδρόβιας βλάστησης και των προσπαθειών αναβλάστησης υγροτόπων. Το Stanrock, που ανήκει στην Denison Mines Limited, βρίσκεται στην περιοχή της λίμνης Elliot, στο Οντάριο και η περιοχή αυτής της λίμνης χρησίμευε ως κύρια βάση για την εξόρυξη ουρανίου. Το Stanrock, που καλύπτει μια έκταση περίπου 52 εκταρίων, χρησιμοποιήθηκε για την εναπόθεση απορριμμάτων μεταξύ των μέσων της δεκαετίας του 1950 έως τις αρχές της δεκαετίας του 1960, αν και ο παροπλισμός του ουρανίου ξεκίνησε λίγο μετά το 1992, όταν ολόκληρη η εγκατάσταση εξόρυξης ουρανίου έπαυσε οριστικά τη λειτουργία της. Η παραγωγή οξέος ήταν μια σημαντική περιβαλλοντική ανησυχία που σχετίζεται με τα απορρίμματα ουρανίου, ωστόσο, δεδομένου ότι η τελευταία εναπόθεση απορριμμάτων στο Stanrock συνέβη στις αρχές της δεκαετίας του 1960, σχεδόν κανένας αντιδραστικός πυρίτης δεν παρέμεινε στο επιφανειακό στρώμα των απορριμμάτων στις αρχές της δεκαετίας του 1990, όταν ξεκίνησε ο παροπλισμός. Χρησιμοποιήθηκε προσέγγιση ξηρού καλύμματος για τον παροπλισμό του Stanrock και από το 1998, όταν ολοκληρώθηκαν οι περισσότερες από τις σημαντικές δραστηριότητες ανάκτησης κεφαλαίων, ο παροπλισμός έχει εισέλθει στη φάση μακροπρόθεσμης παρακολούθησης. Το Clinton Creek Mine ανήκε στην Cassiar Asbestos Corporation και λειτουργούσε ως ορυχείο αμιάντου από το 1968 έως το 1978. Η τοποθεσία του ορυχείου βρίσκεται περίπου 100 χλμ. βορειοδυτικά της Ντόσον Σίτι, Γιούκον. Κατά τη διάρκεια των εργασιών του, το μετάλλευμα αμιάντου εξήχθη από τα ανοιχτά κοιλώματα και μεταφέρθηκε σε μύλο για επεξεργασία, ενώ, η αναβλάστηση βρέθηκε ότι συμβαίνει φυσικά (δηλαδή, παθητική βλάστηση) στις χωματερές άχρηστων πετρωμάτων από το κλείσιμο του ορυχείου το 1978. 

''' 2.2. Δεδομένα εικόνων τηλεπισκόπησης '''

Μέχρι στιγμής, οι δορυφόροι Landsat έχουν παράσχει σχεδόν 50 χρόνια συλλογής δεδομένων εικόνων, γεγονός που καθιστά τις εικόνες Landsat πολύ κατάλληλες για μια μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της αλλαγής της επιφάνειας της γης. Πολυχρονικές εικόνες τηλεπισκόπησης που συλλέχθηκαν από τους δορυφόρους Landsat 5 (1984-1993) και Landsat 8 (1993 έως σήμερα) χρησιμοποιούνται για την ποσοτικοποίηση της αλλαγής της κάλυψης της γης και την έκταση της βλάστησης στις στοχευόμενες τοποθεσίες ορυχείων. Οι εικόνες Landsat 5 και Landsat 8 για κάθε τοποθεσία ορυχείου, λήφθηκαν από τη βάση δεδομένων Earth Explorer του Γεωλογικού Ινστιτούτου των Ηνωμένων Πολιτειών. Τελικά, λήφθηκαν περίπου 25 έως 38 εικόνες Landsat μεταξύ του 1984 (ή του αντίστοιχου έτους κλεισίματος όταν ήταν αργότερα από το 1984) και του 2021 για κάθε τοποθεσία. Πραγματοποιείται μια δέσμη προεπεξεργασίας των ληφθέντων εικόνων Landsat και κατά την προεπεξεργασία, το εργαλείο διαχείρισης σύνθετων ζωνών χρησιμοποιείται για τη δημιουργία των σύνθετων εικόνων, οι οποίες αποκόπτονται στην αντίστοιχη περιοχή ενδιαφέροντος της τοποθεσίας ορυχείου.

''' 2.3. Μέθοδος Ανάλυσης '''

Πραγματοποιείται η ανάλυση Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). Το NDVI είναι ένα ποσοτικό μέτρο της αφθονίας και του σθένους της βλάστησης και υπολογίζεται σε κάθε εικονοστοιχείο εικόνας. 

<center> ''' NDVI=(Bnir - Bred)/(Bnir + Bred), (1) ''' </center>

όπου, το Bnir και το Bred υποδηλώνουν τις τιμές ανάκλασης από τις φασματικές ζώνες κοντά στο υπέρυθρο και το κόκκινο, αντίστοιχα. Το NDVI κυμαίνεται από -1 έως 1. Ένα υψηλότερο NDVI υποδηλώνει περισσότερη ζωντανή πράσινη βλάστηση. Για κάθε τοποθεσία ορυχείου, οι χρονικές διακυμάνσεις των τιμών NDVI κατά μέσο όρο προέρχονται από τις εικόνες Landsat. Στη συνέχεια, εφαρμόζεται μια γραμμική παλινδρόμηση που βασίζεται στη μέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων για να ποσοτικοποιηθεί η τάση αλλαγής της κάλυψης της βλάστησης με την πάροδο του χρόνου.

Για κάθε τοποθεσία, οι εικόνες από τα έτη 1984 (ή το έτος κλεισίματος της τοποθεσίας όταν ήταν μεταγενέστερο του 1984) και το 2021 ταξινομήθηκαν σε διαφορετικές κατηγορίες κάλυψης γης χρησιμοποιώντας τη μέθοδο του τυχαίου δάσους. Δεδομένου ενός έτους ταξινόμησης, οι εικόνες ανάκλασης επιφάνειας Landsat από τον Ιούνιο έως τον Σεπτέμβριο του έτους συντέθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή του χάρτη ταξινόμησης με βάση τη μέθοδο της διάμεσης σύνθεσης. Έξι δείκτες συμπεριλαμβανομένου NDVI, normalized burn ratio (NBR), normalized difference moisture index (NDMI), tasseled cap greenness (TCG), tasseled cap brightness (TCB), and tasseled cap wetness (TCW) προήλθαν από τη σύνθετη εικόνα και στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για την τυχαία ταξινόμηση δασών. Τα δείγματα εκπαίδευσης και τα δείγματα επικύρωσης συλλέχθηκαν για κάθε κατηγορία και ο αριθμός των δέντρων που χρησιμοποιήθηκαν για το μοντέλο τυχαίου δάσους είναι 85. Περαιτέρω, πραγματοποιήθηκε ανίχνευση αλλαγής μετά την ταξινόμηση για την παρακολούθηση της αλλαγής χρήσης γης/κάλυψης. Ο Δείκτης Regrowth (RI) υπολογίζεται σε κάθε τοποθεσία μελέτης και είναι ένα μέτρο της έκτασης της ανάκτησης της βλάστησης που προκύπτει από την αποκατάσταση σε μια διαταραγμένη τοποθεσία σε σχέση με μια μη διαταραγμένη τοποθεσία αναφοράς. Το RI υπολογίζεται ως η διαφορά NDVI μεταξύ μιας διαταραγμένης τοποθεσίας ορυχείου (NDVIdisturbed) και της αντίστοιχης μη διαταραγμένης τοποθεσίας αναφοράς (NDVIreference):

<center> ''' RI = NDVIdisturbed - NDVIreference, (2) ''' </center>

Σε κάθε τοποθεσία μελέτης, η περιοχή χωρίς οπτικά αισθητές ανθρωπογενείς διαταραχές επιλέγεται ως η αντίστοιχη τοποθεσία αναφοράς και η χρήση τους είναι ζωτικής σημασίας για την παρακολούθηση του επιπέδου επιτυχίας της αποκατάστασης. Το RI ελαχιστοποιεί τις επιπτώσεις στην εκτίμηση της τάσης NDVI από περιφερειακούς περιβαλλοντικούς παράγοντες (μεταβολές καιρού/κλίματος, υδρολογία, ηλιακή ακτινοβολία, συνθήκες υγρασίας του εδάφους) καθώς αυτοί οι περιβαλλοντικοί παράγοντες αναμένεται να έχουν πολύ παρόμοιες επιπτώσεις στις διαταραγμένες και μη διαταραγμένες περιοχές. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ '''

''' 3.1. Ανάλυση NDVI '''

Ο δείκτης NDVI ήταν ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος δείκτης τηλεπισκόπησης για την αξιολόγηση της αποκατάστασης της περιοχής ορυχείων. Το αρχικό NDVI (πριν από την εκ νέου βλάστηση) είναι τυπικά χαμηλό και καθώς εμφανίζεται η αναγέννηση της βλάστησης, το NDVI, τείνει να αυξάνεται. Ως εκ τούτου, οι τάσεις NDVI μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μετρηθεί εάν η ανάκτηση είναι επιτυχής στην τοποθεσία. Ο NDVI δεν υπολογίζεται όταν δεν είναι διαθέσιμες οι αντίστοιχες εικόνες Landsat χωρίς σύννεφο. Όλες οι τοποθεσίες ορυχείων εμφανίζουν αυξανόμενες τάσεις NDVI αλλά με διαφορετικούς ρυθμούς μεταβολής. Η τοποθεσία Wapisiw Lookout έκλεισε αργότερα από άλλες τοποθεσίες ορυχείων, αλλά παρουσίασε τη μεγαλύτερη αυξητική τάση στο NDVI. Επίσης, παρόλο που το Wapisiw Lookout έγινε ανενεργό το 1997, οι σημαντικές προσπάθειες ανάκτησης και φύτευσης ξεκίνησαν επίσημα μεταξύ 2009 και 2010. Συνεπώς, από το 2009, ο NDVI της τοποθεσίας αυξήθηκε ραγδαία. Ο NDVI του Stanrock έχει τον δεύτερο υψηλότερο ρυθμό ανάπτυξης με την ταχεία αύξηση του NDVI να ξεκινά το 1998–1999 όταν ολοκληρώθηκαν οι σημαντικές δραστηριότητες ανάκτησης κεφαλαίων στην περιοχή. Το Highmont και το Gateway Hill έκλεισαν στις αρχές της δεκαετίας του 1980, νωρίτερα από άλλες τοποθεσίες. Αν και η τοποθεσία Highmont είχε το χαμηλότερο NDVI πριν από την ανάκτηση, έχει εντοπιστεί μια μονότονη και ουσιαστική αυξητική τάση NDVI για την τοποθεσία, λόγω αποτελεσματικού σχεδίου τελικής χρήσης γης. Αντίθετα, η τοποθεσία Gateway Hill είχε το υψηλότερο NDVI πριν από την επαναβλάστηση σε όλες τις περιοχές μελέτης, διότι χρησιμοποιήθηκε ως απόθεμα υπερκείμενων υλικών για τις εργασίες εξόρυξης και όχι ως αποθήκευση απορριμμάτων. Το NDVI του Gateway Hill παρουσίασε ισχυρή ανοδική τάση μέχρι το 2003 και στη συνέχεια παρέμεινε σχετικά σταθερό. Το Pine Point Mine και οι χωματερές πετρωμάτων του Clinton Creek Mine παρουσίασαν συλλογικά τη μικρότερη αλλαγή στο NDVI με την πάροδο του χρόνου, λόγω της παθητικής επαναβλάστησης. Ωστόσο, η αργή αύξηση του NDVI εξακολουθεί να είναι στατιστικά σημαντική. 

''' 3.2. Ταξινόμηση εικόνας και ανίχνευση αλλαγής μετά την ταξινόμηση '''

Για κάθε τοποθεσία, οι εικόνες από το έτος 1984 (ή το έτος κλεισίματος της τοποθεσίας όταν ήταν αργότερα από το 1984) και το παρόν (έτος 2021) ταξινομούνται σε πέντε κατηγορίες κάλυψης γης: δάσος, θαμνώδεις εκτάσεις, λιβάδια, επιφάνεια νερού και γυμνή γη. Το Pine Point Mine κατά το κλείσιμό του κυριαρχούνταν από γυμνή γη κι ακόμα και σήμερα, εξακολουθεί να υπάρχει έλλειψη σημαντικής βλάστησης με εξαίρεση, μόνο κάποια περιορισμένα κομμάτια, λόγω της παθητικής επαναβλάστησης. Μια οριακή αύξηση στην περιοχή με βλάστηση είναι σύμφωνη με μια μικρή αλλαγή NDVI και οι δυσμενείς περιβαλλοντικοί παράγοντες, όπως η έλλειψη θρεπτικών ουσιών και υγρασίας και οι υψηλές συγκεντρώσεις αλατιού, μολύβδου και ψευδαργύρου εμπόδισαν περαιτέρω τη βλάστηση στην περιοχή. Το Wapisiw Lookout στο κλείσιμό του κυριαρχούνταν από την επιφάνεια του νερού και το γυμνό έδαφος ή βράχο με περιορισμένη κάλυψη βλάστησης, ενώ η βλάστηση κυριαρχεί στη σύγχρονη τοποθεσία. Η αλλαγή της κάλυψης του εδάφους αποκαλύπτει ξεκάθαρα την ουσιαστική έκταση της βλάστησης, η οποία είναι συνεπής με τους φυτεμένους τύπους βλάστησης το 2010. Ένα μεγάλο κομμάτι γυμνής γης ήταν εμφανές για την τοποθεσία Gateway Hill, η οποία έχει μετατραπεί σε μεγάλο βαθμό σε μια περιοχή με βλάστηση (που κυριαρχείται από δάση). Εκτός από τη σημαντική αύξηση της έκτασης με βλάστηση, το νέο οδικό δίκτυο έχει επίσης αναπτυχθεί για το Gateway Hill. Το Highmont κυριαρχούνταν από την επιφάνεια του νερού και το γυμνό έδαφος ή βράχο όταν έκλεισε το 1984, γεγονός που οδήγησε στο σχεδόν μηδενικό NDVI για την τοποθεσία στο κλείσιμο. Τα κύρια τμήματα της λίμνης απορριμμάτων και των γυμνών εκτάσεων έχουν αναβλαστήσει με χόρτα και δέντρα, αν και η κάλυψη βλάστησης εξακολουθεί να απουσιάζει στο κεντρικό τμήμα της αρχικής λίμνης απορριμμάτων. Στο Stanrock, η γυμνή γη κυριαρχούσε το 1992 από τότε που η τελευταία εναπόθεση απορριμμάτων στην τοποθεσία έγινε στις αρχές της δεκαετίας του 1960. Η ανίχνευση αλλαγής μετά την ταξινόμηση δείχνει ότι το Stanrock είχε βιώσει μια σημαντική αναβλάστηση τα τελευταία 30 χρόνια και η γυμνή γη έχει μετατραπεί σε μεγάλο βαθμό σε φυτική κάλυψη μέσω των δραστηριοτήτων αποκατάστασης. Ωστόσο, τα μικρά γυμνά και υδάτινα επιφανειακά θραύσματα εξακολουθούν να υπάρχουν, λόγω της ύπαρξης υποδομής για την επιφανειακή αποστράγγιση από τα απορρίμματα που παράγουν οξύ. Η αναβλάστηση συνέβη φυσικά πάνω από τις χωματερές βράχων του Clinton Creek Mine. Οι χωματερές βράχων κοντά στη νοτιοδυτική όχθη του Clinton Creek Mine είχαν παραμείνει γυμνές μέχρι το 1984 από το κλείσιμό του στα τέλη της δεκαετίας του 1970. Η φυσική αναβλάστηση εμφανίστηκε μόνο σε ένα μικρό τμήμα των χωματερών τις τελευταίες δεκαετίες, ενώ οι περισσότερες από τις πλαγιές των χωματερών εξακολουθούσαν να στερούνται φυτικής κάλυψης μέχρι το 2021.

''' 3.3. Ανάλυση δείκτη Regrowth '''

Η χρήση του RI βοηθάει στην εκτίμηση του επιπέδου επιτυχίας της επαναβλάστησης. Οι τιμές RI από το έτος κλεισίματος της τοποθεσίας και το έτος 2021 υπολογίζονται και συγκρίνονται μεταξύ των έξι τοποθεσιών ορυχείων. Οι τιμές RI από τα αντίστοιχα έτη κλεισίματος των έξι τοποθεσιών ορυχείων είναι όλες κάτω από το μηδέν. Έτσι, το αρνητικό RI δείχνει ότι οι διαταραχές υπήρχαν για κάθε τοποθεσία στο κλείσιμό της. Ένας πιο αρνητικός RI σημαίνει υψηλότερο βαθμό διαταραχής σε σχέση με την αντίστοιχη μη διαταραγμένη θέση αναφοράς. Η διαδικασία επαναβλάστησης, εάν συμβεί, αναμένεται να αμβλύνει τις διαταραχές και επομένως να αυξήσει τις τιμές RI. Οι τιμές RI είναι κοντά ή λίγο πάνω από το μηδέν για τις παρούσες τοποθεσίες Gateway Hill, Wapisiw Lookout και Highmont που σημαίνει ότι οι συνθήκες κάλυψης της βλάστησης των τριών αυτών τοποθεσιών έχουν ήδη αποκατασταθεί σε επίπεδο που είναι πολύ κοντά ή καλύτερο από την αδιατάρακτη κατάσταση προεξόρυξης. Για την ανακτημένη τοποθεσία Stanrock, αν και παρατηρείται επίσης σημαντική αύξηση στο RI, η τελευταία τιμή RI εξακολουθεί να είναι αρνητική. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι η παρούσα RI εξακολουθεί να είναι αρκετά αρνητική στις δύο περιοχές με παθητική αναβλάστηση (Pine Point Mine και Clinton Creek Mine). Μελέτες δείχνουν ότι η αρχική RI (πριν από την επαναβλάστηση) ήταν αρνητική και στη συνέχεια είχε κλίση προς το μηδέν καθώς η σημαντική αναγέννηση της βλάστησης εμφανίστηκε στην διαταραγμένη περιοχή. Οι τάσεις του RI στις τέσσερις τοποθεσίες με ενεργή αναβλάστηση (Gateway Hill, Wapisiw Lookout, Highmont και Stanrock) συμφωνούσαν καλά με την διαπίστωση, η οποία παρείχε στοιχεία για την αποτελεσματικότητα της εκτίμησης RI.

''' 4. ΣΥΖΗΤΗΣΗ '''

Η βιωσιμότητα των εργασιών εξόρυξης διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην επίτευξη των παγκόσμιων στόχων βιώσιμης ανάπτυξης. Για να προωθηθεί η κατανόηση των βιώσιμων πρακτικών που σχετίζονται με την ανάκτηση τοποθεσιών ορυχείων στον Καναδά, αξιολογούμε τις αλλαγές κάλυψης γης στο χώρο και το χρόνο σε πολλαπλές αποκαταστημένες τοποθεσίες ορυχείων σε ολόκληρο τον Καναδά με βάση πολλαπλές χρονικές εικόνες Landsat. Το NDVI είναι ένας κρίσιμος δείκτης τηλεπισκόπησης για την αποτελεσματική παρακολούθηση της συμπεριφοράς της αναβλάστησης του ορυχείου, π.χ. σύμφωνα με την ανάλυση NDVI, μια περιοχή με ενεργή αναβλάστηση είχε τυπικά μια σημαντική αύξηση στην υγιή βλάστηση χάρη στις καλά σχεδιασμένες βιώσιμες πρακτικές, όπως η προσθήκη φυτικού εδάφους και επανασπορά με διάφορα προσαρμοσμένα φυτικά είδη. Αντίθετα, μια αργή ανάκαμψη της υγείας και της αφθονίας της βλάστησης είναι πολύ πιθανό να συμβεί σε μια τοποθεσία μετά το κλείσιμο του ορυχείου χωρίς να υποστούν σημαντικές προσπάθειες ενεργού βλάστησης. Αυτό είναι σύμφωνο με μια ασθενή αυξητική τάση NDVI που ποσοτικοποιήθηκε για το Pine Point Mine, το οποίο δεν υποβλήθηκε σε σημαντικές προσπάθειες ενεργού αναβλάστησης και περιορίστηκε μόνο με ένα λεπτό μείγμα άμμου και χαλικιού για την πρόληψη της σκόνης. Η υψηλή συγκέντρωση μεταλλικών μολυσματικών ουσιών θα μπορούσε να οδηγήσει σε φυτοτοξικότητα, ανεπάρκειες θρεπτικών ουσιών και κακή υφή του εδάφους, τα οποία δεν ευνόησαν την εγκατάσταση βλάστησης. Παρόμοια αποτελέσματα παρατηρήθηκαν για το παθητικά αναζωογονημένο Clinton Greek Mine στο Γιούκον και τις τοποθεσίες ορυχείων μολύβδου και ψευδαργύρου στην Κίνα. Η ανίχνευση αλλαγών που προέρχεται από ταξινόμηση δορυφορικών εικόνων είναι επίσης μια σημαντική μέθοδος για την αξιολόγηση της αναβλάστησης του ορυχείου. Οι προκύπτοντες χάρτες ταξινόμησης και ανίχνευσης αλλαγών τεκμηρίωσαν περαιτέρω την αλλαγή της βλάστησης που προέκυψε από την ανάλυση NDVI. Το Wapisiw Lookout και το Gateway Hill έχουν φτάσει ή πλησιάσει την αντίστοιχη χωρητικότητα επαναβλάστησης, ενώ στα Pine Point Mine, Stanrock και Clinton Creek Mine έχουν απομείνει σημαντικά θραύσματα γυμνής γης ή/και υδάτινης επιφάνειας, γεγονός που δείχνει ότι υπάρχει χώρος για περαιτέρω αποκατάσταση της βλάστησης. Ο δείκτης RI παρέχει ένα ποσοτικό μέτρο του επιπέδου αναβλάστησης κι όσο υψηλότερο RI σημαίνει λιγότερες διαταραχές λόγω καλύτερης ανάκτησης βλάστησης. Η ανάλυση RI επιβεβαιώνει ότι οι βιώσιμες πρακτικές που περιλαμβάνουν ενεργητική βλάστηση μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά την ανάκτηση της υγείας και της αφθονίας της βλάστησης σε διαταραγμένες περιοχές εξόρυξης στον Καναδά, επειδή το RI που προκύπτει από μια ενεργή αναβλάστηση ξεπέρασε σημαντικά το RI που βιώνει μόνο μια παθητική βλάστηση. Η αξιολόγηση και παρακολούθηση της ανάκτησης βάσει τηλεπισκόπησης επηρρεάζεται από ορισμένους περιορισμούς. Ένας περιορισμός είναι ότι η χωρική ανάλυση των εικόνων Landsat κατέστησε δύσκολη τη χαρτογράφηση οποιασδήποτε αλλαγής κάλυψης γης σε μικρότερη κλίμακα (<30 m), γι’ αυτό θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν σε συνδυασμό με την επιτόπια έρευνα για να βελτιωθεί η ακρίβεια της αξιολόγησης. Εναλλακτικά, συνιστώνται εικόνες από δορυφόρους πολύ υψηλής χωρικής ανάλυσης. Ένας άλλος περιορισμός είναι ότι η ανίχνευση εικόνων Landsat υπόκειται σε καιρικές συνθήκες, όπως η κάλυψη σύννεφων, η οποία θα μπορούσε να προκαλέσει ορισμένα κενά για τη μακροπρόθεσμη παρακολούθηση. Στο μέλλον, η τηλεπισκόπηση μικροκυμάτων, η οποία είναι λιγότερο επιρρεπής στην κάλυψη σύννεφων, μπορεί να χρησιμοποιηθεί με τις εικόνες Landsat χωρίς σύννεφα για την παροχή καλύτερης χρονικής κάλυψης. 

''' 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης και οι εικόνες Landsat είναι κατάλληλες για μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της ανάκτησης βλάστησης σε τοποθεσίες μετά το κλείσιμο ορυχείων στον Καναδά. Η ενεργός ανάκτηση και βλάστηση είναι μια κρίσιμης σημασίας βιώσιμη πρακτική για το κλείσιμο ενός ορυχείου, ενώ η παθητική αποκατάσταση από μόνη της τυπικά δεν μπορεί να προσφέρει επαρκή ποσοστά αλλαγής κάλυψης γης και έκταση βλάστησης σε μολυσμένες τοποθεσίες. Η ποσοτικοποιημένη συμπεριφορά ανάκτησης του ορυχείου και οι σχετικές βιώσιμες πρακτικές θα παρέχουν σημαντική καθοδήγηση για τη βιώσιμη διαχείριση πόρων βάσει στοιχείων στον Καναδά και σε όλο τον κόσμο. 

[[category:Δασοπονία, Δασική διαχείριση]]
[[category:Καταγραφή - Παρακολούθηση Ερημοποίησης (αναγνώριση συνθηκών, εδαφών, βλάστησης, κλίσεων, προσανατολισμού)]]
[[category:Παρακολούθηση και εκτίμηση διαχρονικών αλλαγών και εξελίξεων]]

Αξιολόγηση βλάστησης βάσει τηλεπισκόπησης σε τοποθεσίες ορυχείων μετά το κλείσιμό τους στον Καναδά

2024-02-24T07:17:41Z

Stamatia Foufa:

Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών χρησιμοποιώντας GIS και τεχνικές τηλεπισκόπησης

2024-02-24T07:16:43Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Estimation of Crop Water Productivity Using GIS and Remote Sensing Techniques''

'''Συγγραφείς: ''' Zenobia Talpur, Arjumand Z. Zaidi, Suhail Ahmed, Tarekegn Dejen Mengistu, Si-Jung Choi, Il-Moon Chung

'''Δημοσιεύθηκε: '''''Sustainability 2023, 15, 11154. https://doi.org/10.3390/su151411154 ''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Γεωργία, υδατικοί πόροι

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών στην περιοχή της Σινδ '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_G_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Θέση της περιοχής μελέτης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Τύποι και πηγές δεδομένων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' (a) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Rabi, (b) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Kharif , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2014–2015), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2016–2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (2017), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας σιταριού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας βαμβακιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας ρυζιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

Ο αγροτικός τομέας καταναλώνει το 90% του παγκόσμιου νερού, από το οποίο το 40% των καλλιεργειών παράγεται μέσω του συστήματος άρδευσης. Η μη βιώσιμη γεωργία δεν μπορεί να επιτύχει τις διατροφικές απαιτήσεις για τον αυξανόμενο πληθυσμό και ο αγροτικός τομέας αντιμετωπίζει προκλήσεις χαμηλής παραγωγικότητας νερού των καλλιεργειών, έτσι η χρήση του νερού πρέπει να βελτιστοποιηθεί για να παράγει περισσότερα τρόφιμα. Ο αγροτικός τομέας του Πακιστάν συνεισφέρει το 24% της Ακαθάριστης Εγχώριας Παραγωγής και απασχολεί το 45% του συνολικού εργατικού δυναμικού του. Το Πακιστάν έχει δύο κύριες περιόδους καλλιέργειας - Rabi and Kharif. Η καλλιέργεια Kharif εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ποσότητα και την κατανομή των βροχοπτώσεων, ειδικά κατά την περίοδο των μουσώνων. Το σύστημα καναλιών του ποταμού Ινδού υποστηρίζει κυρίως τη γεωργία. Το φράγμα Sukkur είναι το παλαιότερο από αυτά. Πριν από το φράγμα Sukkur, χτίστηκε το κανάλι Rohri μήκους 350 χιλιομέτρων, ένα από τα παλαιότερα κανάλια, το οποίο ποτίζει αγροκτήματα στην αριστερή όχθη του ποταμού Ινδού κάτω από το φράγμα Sukkur και περίπου 2,9 εκατομμύρια στρέμματα γεωργικής γης αντλούν νερό από αυτό σε εννέα περιοχές. Επίσης, ποτίζει εδάφη μέχρι την παράκτια περιοχή της Σινδ για οπωρώνες και περιοχές όπου καλλιεργούνται καλλιέργειες όπως το ζαχαροκάλαμο, το βαμβάκι και το σιτάρι. Η φθίνουσα διαθεσιμότητα νερού στο Πακιστάν είναι ανησυχητική, λόγω της ταχείας αστικοποίησης και εκβιομηχάνισης τα τελευταία πενήντα χρόνια. Εκτός από τον ποταμό Ινδό, άλλοι υδατικοί πόροι στο Πακιστάν είναι τα υπόγεια ύδατα και η βροχόπτωση. Ωστόσο, τα υπόγεια ύδατα εξαντλούνται με τεράστιο ρυθμό λόγω της εκτεταμένης υπερεκμετάλλευσης. Η ανάγκη για άρδευση έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία 20 χρόνια λόγω της επέκτασης της περιοχής καλλιέργειας. Η παροχή νερού ήταν μικρότερη από το 26% των απαιτήσεων σε νερό των καλλιεργειών το καλοκαίρι του 2012, ενώ το χειμώνα, ήταν περίπου 20% πλεόνασμα. Ο ποταμός Ινδός έχει παραγωγικότητα 54%, ενώ η παραγωγικότητα του αρδευτικού συστήματος της Σινδ είναι μόλις 35%. Το κύριο πρόβλημα διαχείρισης του νερού είναι η έλλειψη νερού στις αρχές της περιόδου που ακολουθείται από υπερβολικό νερό με την έναρξη των μουσώνων. Οι αρχές της αποδοτικότητας του νερού βοηθούν στην αξιολόγηση της τρέχουσας παραγωγής και στη διερεύνηση στρατηγικών για την εξοικονόμηση πραγματικού νερού από τα χωράφια στις λεκάνες απορροής. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι η ιδέα να αξιοποιήσετε στο έπακρο τις καλλιέργειες, τα ζώα και άλλα πράγματα, ενώ χρησιμοποιείτε τη λιγότερη δυνατή ποσότητα νερού. Τα δεδομένα σχετικά με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται από τις καλλιέργειες πρέπει να λαμβάνονται ως προαπαιτούμενο πριν από τη χρήση αυτής της στρατηγικής. Η χρήση τιμών εξατμισοδιαπνοής (ET) για την επίλυση απλών εξισώσεων για τον προσδιορισμό της ποσότητας του νερού που καταναλώνεται μπορεί, επομένως, να είναι μια λύση σε αυτό το χρονικά περιορισμένο πρόβλημα. Οι πραγματικές μετρήσεις εξατμισοδιαπνοής (ETa) λαμβάνονται από δορυφορικές φωτογραφίες για επεξεργασία. Αυτή η μελέτη αναλύει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) και τη παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών σιταριού, ρυζιού και βαμβακιού σε εννέα περιοχές της Σινδ εντός της περιοχής διοίκησης του Καναλιού Rohri και θα βοηθήσει στον εντοπισμό περιοχών υψηλών γεωργικών επιδόσεων και θα παρέχει πληροφορίες για τη διαχείριση του συστήματος άρδευσης, οδηγώντας σε βιώσιμη παραγωγικότητα του νερού. Η τηλεπισκόπηση παρέχει μεγάλης κλίμακας δεδομένα εξατμισοδιαπνοής. Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε μια ισχυρή πύλη δεδομένων που βασίζεται στην τηλεπισκόπηση — ροή εξατμισοδιαπνοής του Google Earth Engine (EEFlux) που βασίζεται στη «Χαρτογράφηση εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερική βαθμονόμηση (METRIC)». Αυτός ο ιστότοπος δεδομένων έχει μεγάλες δυνατότητες εκτίμησης του ETa. Το METRIC είναι μια τροποποιημένη έκδοση του «Αλγόριθμου Επιφανειακής Εξισορρόπησης Ενέργειας για Γη (SEBAL), που χρησιμοποιείται στις μέρες μας για τη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής. Το METRIC απαιτεί χειροκίνητες επιλογές εικονοστοιχείων, επομένως έχουν αναπτυχθεί μοντέλα αυτόματης βαθμονόμησης λόγω αβεβαιότητας που μπορεί να προκύψει κατά τη βαθμονόμησή του με διαφορετικούς χρήστες. Τα αυτόματα μοντέλα απαιτούν επίσης τεράστια προεπεξεργασία, όπως η συναρμολόγηση διαφόρων στρωμάτων, το τοπικό κλίμα, τα δορυφορικά δεδομένα, οι χρήσεις γης/κάλυψη, οι χάρτες εδάφους και η εισαγωγή δεδομένων. Το EEFlux όχι μόνο παρέχει έναν αυτόματο μηχανισμό εισαγωγής δεδομένων, αλλά συνδέεται επίσης με το Google Earth Engine (GEE) με τον αλγόριθμο METRIC και παρέχει χάρτες για το Landsat 5, 7, ή 8. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν εικόνες Landsat 5 και 8. 

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Περιγραφή της Περιοχής Μελέτης '''

Το κανάλι Rohri είναι ένα κύριο συστατικό του γεωργικού τομέα στη Σινδ και είναι ένα τεχνητό κανάλι χτισμένο στο φράγμα Sukkur με 2,6 εκατομμύρια στρέμματα για άρδευση. Η περιοχή διοίκησης του καναλιού Rohri καλύπτει και παρέχει νερό σε μεγάλα τμήματα των εννέα περιοχών της Σινδ και βρίσκεται σε θερμό κλίμα με ετήσια βροχόπτωση που δεν υπερβαίνει τα 200 mm και ελάχιστη θερμοκρασία 18 ◦C. Οι κύριες καλλιέργειες που παράγονται σε αυτές τις περιοχές είναι το βαμβάκι και το σιτάρι. Το ρύζι καλλιεργείται επίσης σε αυτήν την περιοχή, αλλά δεν συγκαταλέγεται στις κύριες καλλιέργειες. 

''' 2.2. Μεθοδολογία '''

Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών ορίζεται ως η αναλογία της απόδοσης της καλλιέργειας διαιρούμενη με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται για την παραγωγή της και υπολογίστηκε για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι για τη περίοδο Kharif (1998 και 2017) και Rabi (2014–2015 και 2016–2017). Μετρήθηκε σε kg/m3 και οι χρήσεις του νερού των καλλιεργειών, ή ETa, υπολογίζονται από δεδομένα τηλεπισκόπησης. Χρησιμοποιώντας δορυφορικά δεδομένα, η χρήση του νερού των καλλιεργειών μπορεί να μετρηθεί σε μεγαλύτερες χρονικές και χωρικές κλίμακες. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως η άρδευση, η γονιμότητα του εδάφους, ο έλεγχος παρασίτων και ασθενειών και συχνά αυξάνεται από οποιονδήποτε διαχειριστικό παράγοντα που βελτιώνει την παραγωγή των καλλιεργειών, καθώς η εξατμισοδιαπνοή είναι συνήθως λιγότερο αντιδραστική στις αλλαγές αυτών των παραγόντων από την απόδοση. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι απαραίτητη για την κατανόηση της σχέσης μεταξύ νερού και τροφής και οι τιμές της για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι εκτιμήθηκαν χρησιμοποιώντας την εξίσωση (1): 

<center> ''' CWP = y (Yield) /ETa , (1) ''' </center>

όπου, η CWP είναι η Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών (kg/m3 ), το y αντιπροσωπεύει την απόδοση (kg/m2 ), το ETa είναι η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (m3/ha1). Για αυτήν τη μελέτη, η αρδευόμενη περιοχή και οι αποδόσεις σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού ελήφθησαν από το τμήμα υπηρεσιών αναφοράς καλλιεργειών στο Χαϊντεραμπάντ. 

''' 2.3. Σύνολα δεδομένων '''

''' 2.3.1. Δεδομένα καλλιεργειών '''

Τα δεδομένα για τις καλλιέργειες ελήφθησαν από τη στατιστική έκθεση της Σινδ και το τμήμα γεωργίας.

''' 2.3.2. Crop Masks '''

Crop Masks μπορεί να οριστεί ως η χωρική πληροφορία της κατανομής των διαφόρων καλλιεργειών. Crop Masks για το σιτάρι (2013–2014), το βαμβάκι και το ρύζι (2014–2015) αναπτύχθηκαν από τον Οργανισμό Τροφίμων και Γεωργίας και το Υπουργείο Γεωργίας των Ηνωμένων Πολιτειών ως μέρος του έργου «Γεωργικό Πληροφοριακό Σύστημα - Δημιουργία επαρχιακής ικανότητας στο Πακιστάν για την εκτίμηση, την πρόβλεψη και την αναφορά των καλλιεργειών με βάση την ολοκληρωμένη χρήση των δεδομένων τηλεπισκόπησης». Οι δορυφορικές εικόνες SPOT-5 έχουν χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή αυτών των Crop Masks. 

''' 2.3.3. Εξατμισοδιαπνοή Αναφοράς'''

Για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr), υποθέσαμε ότι η γη ήταν καλυμμένη με γρασίδι και υπολογίσαμε την εξατμισοδιαπνοή από αυτό το γρασίδι. Για τη λεκάνη του Ινδού, σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιούνται τιμές εξατμισοδιαπνοής αναφοράς χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Penman–Monteith.

''' 2.3.4. Δεδομένα Τηλεπισκόπησης '''

Οι εικόνες Landsat λαμβάνονται από την πύλη Earth Engine Evapotranspiration Flux (EEFlux), η οποία παρέχει επεξεργασμένες εικόνες Landsat 5 και 8. Βασίζεται στη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερικοποιημένη βαθμονόμηση και η διαδικασία που βασίζεται στην εικόνα Landsat λειτουργεί στο σύστημα Google Earth Engine. Η χρονική ανάλυση είναι 16 ημέρες με χωρική ανάλυση 30 m. Χρησιμοποιώντας την εξίσωση Penman-Monteith, το EEFlux περιλαμβάνει σύστημα αφομοίωσης δεδομένων γης της Βόρειας Αμερικής για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr). Τα έτη 1998, 2017, 2014–2015 και 2016–2017 επιλέχθηκαν με βάση τις χαμηλές και υψηλές ροές που προέκυψαν από τα δεδομένα ροής χρησιμοποιώντας την ανάλυση συχνότητας. 

''' 2.3.5. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Το EEFlux παρέχει βαθμονομημένες εικόνες που αποδίδουν μια τιμή εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr) σε κάθε εικονοστοιχείο και η τιμή της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) ανά ημέρα υπολογίστηκε πολλαπλασιάζοντας την ETr και την πιθανή εξατμισοδιαπνοή ETo. Εικόνες Landsat εξήγαγαν την ETr από τις καλλιέργειες σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού. Οι ημερομηνίες αναφοράς του παράγοντα εξατμισοδιαπνοής (ETrf) επιλέχθηκαν από τα Πρότυπα του Τμήματος Άρδευσης της Σινδ και από τη χρονική περίοδο των σταδίων ανάπτυξης της καλλιέργειας από την αρχική έως την ωριμότητα. Ωστόσο, κάθε καλλιέργεια έχει διαφορετικές χρονικές περιόδους ανάπτυξης. Η ETa θεωρείται ως κατάλοιπο του ενεργειακού ισοζυγίου της επιφάνειας. Δίνεται στην Εξίσωση (2).

<center> ''' LE = Rn − H − G, (2) ''' </center>

όπου, LE είναι η λανθάνουσα ροή θερμότητας, Rn είναι καθαρή ακτινοβολία, G είναι ροή θερμότητας του εδάφους και H είναι αισθητή ροή θερμότητας. Ο ETrF (συντελεστής εξατμισοδιαπνοής αναφοράς) υπολογίστηκε με την Εξίσωση (3) και η σωρευτική ETa για κάθε εποχή υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας την Εξίσωση (4) για διαφορετικές φάσεις ανάπτυξης της καλλιέργειας, συμπεριλαμβανομένων των σταδίων αρχικής, ανάπτυξης, ανθοφορίας και ωριμότητας. 

<center> ''' ETrF = ETa/ETr(Re f erence ET) , (3) ''' </center>

<center> ''' ETseason = ETrFseasonΣ n q ETr−24, (4) ''' </center>

όπου, το ETrf αντιπροσωπεύει το ET αναφοράς για μια συγκεκριμένη περίοδο σταδίου ανάπτυξης, το ETr−24 είναι ένα ημερήσιο ET αναφοράς για συγκεκριμένο αριθμό ημερών, το n υποδηλώνει αριθμό ημερών και ελήφθησαν οι τιμές ETr της απαιτούμενης περιοχής εντολής καναλιού. 

''' 2.4. Ημερολόγια καλλιεργειών '''

Το ημερολόγιο καλλιεργειών διαφέρει για διαφορετικές περιοχές αλλά και από καλλιέργεια σε καλλιέργεια, όπως το σιτάρι που καλλιεργείται στο Rabi και το βαμβάκι που καλλιεργείται στο Kharif. Για τον υπολογισμό της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) χρησιμοποιήθηκαν ημερολόγια καλλιέργειας για τις μεσαίες και κατώτερες περιοχές της Σινδ. Οι ημερομηνίες για το μεσαίο και το κάτω μέρος της Σινδ είναι διαφορετικές για τη σπορά και τη συγκομιδή, δηλαδή, το αρχικό στάδιο σποράς στην κάτω Σινδ ξεκινά ένα μήνα νωρίτερα απ'οτι στη μεσαία. Η καλλιέργεια σιταριού της εποχής Rabi ξεκινά τον Οκτώβριο και τον Νοέμβριο, αντίστοιχα, στα κάτω και στα ανώτερα τμήματα της επαρχίας. Αντίθετα, οι καλλιέργειες βαμβακιού και ρυζιού καλλιεργούνται την περίοδο Kharif από τον Απρίλιο. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΕΙΣ '''

''' 3.1. Ροές ποταμών '''

Αξιολογήθηκαν οι ετήσιες εποχιακές ροές. Ωστόσο, η εξίσωση (4α) δείχνει το μέσο διάστημα δύο εκφορτίσεων ίσου (ή μεγαλύτερου) μεγέθους σε χρόνια μεταξύ των εμφανίσεων που είναι γνωστό ως Διάστημα Υποτροπής (RI). 

<center> ''' RI = (Ν + 1)/Μ , (4α) ''' </center>

όπου, RI = Διάστημα υποτροπής, N = Μέγιστη Ετήσια Απόρριψη, Μ = Κατάταξη (για τη μεγαλύτερη κατάταξη ροής M = 1 και τη μικρότερη κατάταξη ροής M = n ή 21 σε αυτήν τη μελέτη). Η εξίσωση (4β) μπορεί να ορίσει μια πιθανότητα ενός δεδομένου μεγέθους μιας πλημμύρας κάθε χρόνο.

<center> ''' P = (1/RI)× 100 , (4β) ''' </center>

σύμφωνα με τις ροές της σεζόν Rabi από το 1998–1999 έως το 2018–2019 του φράγματος Sukkur, οι τάξεις κατανεμήθηκαν και ταξινομήθηκαν σε υψηλή, μεσαία και χαμηλή. Η πιθανότητα υπέρβασης (P) έχει υπολογιστεί για την εποχή Rabi κατά την οποία καλλιεργούνται οι καλλιέργειες σιταριού. Υπήρξε υψηλή ροή το 2014–2015 και η μέση ροή καταγράφηκε το 2003–2004. Τα έτη 2016-2017 θεωρήθηκε μέσης ροής, ενώ το 2001-2002 θεωρήθηκε έτος χαμηλής ροής. Οι ροές της εποχής Kharif από το 1998 έως το 2017 του φράγματος Sukkur κατηγοριοποιήθηκαν και αυτές ως υψηλές, μεσαίες και χαμηλές. Το 2010 λόγω της πλημμύρας του ποταμού, προκαλεί ζημιές στη Σινδ, ενώ το 1998 επιλέχθηκε ως το έτος υψηλής ροής (επόμενο υψηλότερο μετά το 2010). Το έτος μέσης ροής ήταν το 2017 και το έτος χαμηλής ροής ήταν το 2004. Σε αυτή τη μελέτη αναλύθηκαν καλλιέργειες ρυζιού και βαμβακιού που καλλιεργήθηκαν την περίοδο Kharif. 

''' 3.2. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Υπολογίστηκε η πραγματική μηνιαία εξατμισοδιαπνοή, η οποία υπολογίζει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας (CWP). Μπορεί να παρατηρηθεί ότι το αρχικό στάδιο έχει τη χαμηλότερη ETa, ενώ το στάδιο της ανθοφορίας έχει την υψηλότερη εξατμισοδιαπνοή αφού σε αυτό το στάδιο απαιτείται περισσότερο νερό για την ανάπτυξη των φυτών.

''' 3.2.1. Καλλιέργεια Σιταριού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή έχει υπολογιστεί χρησιμοποιώντας crop masks για τα τέσσερα στάδια: αρχικό, ανάπτυξη της καλλιέργειας, ανθοφορία και ωριμότητα. Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή της εποχής Rabi της καλλιέργειας σίτου, υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας τα ETrf και ETr. Η ETa είναι χαμηλή στο αρχικό στάδιο, καθώς είναι το στάδιο της σποράς, ενώ η ETa ήταν υψηλότερη στο στάδιο της ανθοφορίας (2014–2015). Η τιμή της ETa για την περίοδο 2016–2017 είναι χαμηλότερη από την τιμή για την περίοδο 2014–2015.

''' 3.2.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή ήταν περισσότερη για την καλλιέργεια βαμβακιού παρά για το σιτάρι. Την περιόδο Kharif του 1998 η ροή ήταν υψηλή, ενώ την υψηλότερη τιμή ETa είχε το 2017, υψηλότερη από το 1998. Το 2017 οι ροές ήταν κανονικές/μέτριες. Αυτό δείχνει ότι οι υψηλότερες ροές δεν συνδέονται απαραίτητα με υψηλότερες τιμές ETa. 

''' 3.2.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας ρυζιού το 1998, ήταν υψηλότερη από το σιτάρι και το βαμβάκι, καθώς το ρύζι καταναλώνει περισσότερο νερό. Το ρύζι δεν είναι η κύρια καλλιέργεια της Σινδ, ωστόσο, καλλιεργείται στις συνοικίες της, ενώ, απαγορεύεται στην Κάτω Σινδ λόγω λειψυδρίας. 

''' 3.3. Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών Κύριων Καλλιεργειών '''

''' 3.3.1. Καλλιέργεια Σιταριού (2014-2015 και 2016-2017) '''

Η μέση παγκόσμια CWP σιταριού είναι 0,86 kg/m3 έως 1,80 kg/m3. Υπάρχουν τρεις παγκόσμιες κατηγορίες για CWP σίτου: χαμηλή (<= 0,75 kg/m3), μεσαία (> 0,75 kg/m3 έως < 1,10 kg/m3) και υψηλή (>= 1,10 kg/m3). Για το Πακιστάν, η μέση CWP είναι 0,80 kg/m3 έως 0,91 kg/m3, η οποία εμπίπτει στη μεσαία κατηγορία. Υπήρξε υψηλότερη ροή το 2014-2015, ενώ το 2016-2017 ήταν μέτρια. Η μέση CWP για την καλλιέργεια σιταριού ήταν 1,03 kg/m3 το 2014–2015 και 1,02 kg/m3 το 2016-2017. Συνολικά, η CWP της καλλιέργειας σιταριού είναι κάτω από το αναφερόμενο εύρος, δηλαδή μεταξύ 0,32 kg/m3 έως 1,08 kg/m3. Λόγω της υπερχείλισης, της αλατότητας, των συνθηκών του εδάφους και της έλλειψης διαθεσιμότητας υπόγειων υδάτων, η CWP της Σινδ είναι μικρότερη από το Παντζάμπ. Η απόδοση σιταριού της Σινδ είναι 33% μικρότερη από την απόδοση σιταριού του Παντζάμπ.

''' 3.3.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Για τα έτη 1998 και 2017, την εποχή Kharif, οι τιμές CWP της καλλιέργειας βαμβακιού ήταν σταθερές. Οι μέσες CWP της περιοχής μελέτης των καλλιεργειών βαμβακιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,12 kg/m3 και 0,16 kg/m3,αντίστοιχα. 

''' 3.3.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Οι περισσότερες από τις καλλιέργειες που επιλέχθηκαν σε αυτή τη μελέτη είναι κύριες καλλιέργειες, εκτός από το ρύζι. Το ρύζι είναι μια από τις άλλες καλλιέργειες που η κυβέρνηση της Σινδ απαγόρευσε λόγω της έλλειψης νερού, ωστόσο, το ρύζι καλλιεργήθηκε το 1998 σε όλη τη Σινδ. Συνολικά, οι μέσες τιμές CWP ρυζιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,32 kg/m3 και 0,54 kg/m3, αντίστοιχα. Δεδομένου ότι το ρύζι δεν απαγορεύτηκε το 1998 στην περιοχή μελέτης, το νερό για άλλες καλλιέργειες χρησιμοποιήθηκε για το ρύζι. Οι άλλες καλλιέργειες πήραν αρκετό νερό μετά τη διακοπή της καλλιέργειας ρυζιού.

''' 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Αυτή η μελέτη υπολόγισε την παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών (CWP) του σιταριού, του βαμβακιού και του ρυζιού του Καναλιού Rohri, χρησιμοποιώντας δεδομένα τηλεπισκόπησης στο περιβάλλον GIS. Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή υπολογίστηκε για τις εννέα περιοχές για δύο εποχές Rabi (2014 -2015 και 2016–2017) και δύο εποχές Kharif (1998 και 2017). Τα έτη επιλέχθηκαν με βάση τις υψηλές και μέτριες ροές που περνούσαν από το φράγμα Sukkur. Η ETa εξαρτάται από τον τύπο της καλλιέργειας, διότι ορισμένες καλλιέργειες χρειάζονται περισσότερο νερό από άλλες. Τα αποτελέσματα της μελέτης συνόψισαν ότι η εκτίμηση της πραγματικής ET είναι ζωτικής σημασίας για τη διαχείριση του νερού άρδευσης και των συνθηκών καταπόνησης των καλλιεργειών. Αυτή η χρήση του μοντέλου EEFlux για τη λήψη εικόνων ETrf είναι εφικτή για την επεξεργασία τους με ελάχιστη προσπάθεια. Η μέση CWP της καλλιέργειας σιταριού για την περίοδο 2014–2015 και 2016–2017 ήταν, αντίστοιχα, 1,03 kg/m3 και 1,02 kg/m3, ενώ η CWP αυξήθηκε το έτος 2014–2015 σε σύγκριση με το 2016–2017. Υπάρχει περιορισμός δεδομένων σε τρεις περιφέρειες (Matiyari, Tando Allahyar και Tando Muhammad Khan) σχετικά με την περιοχή καλλιέργειας και την παραγωγή βαμβακιού και ρυζιού το 1998, επομένως, υπολογίστηκε η μέσα CWP βαμβακιού και ρυζιού μόνο για έξι περιοχές. Το 1998, συνολικά, η CWP αυξήθηκε και για τις δύο καλλιέργειες, ωστόσο, το ρύζι έχει απαγορευτεί από την κυβέρνηση της Σινδ λόγω της έλλειψης νερού. Το ρύζι παίρνει περισσότερο νερό από άλλες καλλιέργειες και το εξοικονομημένο νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οικιακούς και βιομηχανικούς σκοπούς. Η CWP επηρεάζεται από γεωργικές πρακτικές που περιλαμβάνουν προετοιμασία γης, μεθόδους σποράς, ποιότητα σπόρων και εδάφους, εφαρμογή νερού και λιπασμάτων και έλεγχο ζιζανίων και παρασίτων. Η προτεινόμενη προσέγγιση είναι αρκετά εφικτή και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διαφορετικές περιοχές με διάφορες καλλιέργειες, ενώ προωθούνται τεχνικές τηλεπισκόπησης για την αποτελεσματική διαχείριση της φυτικής παραγωγής. 

[[category:Γεωργία]]
[[category:Υδατικοί Πόροι]]
[[category:Παρακολούθηση εδαφικής υγρασίας, εξατμισοδιαπνοής]]

Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών χρησιμοποιώντας GIS και τεχνικές τηλεπισκόπησης

2024-02-24T07:16:20Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Estimation of Crop Water Productivity Using GIS and Remote Sensing Techniques''

'''Συγγραφείς: ''' Zenobia Talpur, Arjumand Z. Zaidi, Suhail Ahmed, Tarekegn Dejen Mengistu, Si-Jung Choi, Il-Moon Chung

'''Δημοσιεύθηκε: '''''Sustainability 2023, 15, 11154. https://doi.org/10.3390/su151411154 ''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Γεωργία, υδατικοί πόροι, αρδευτικό σύστημα

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών στην περιοχή της Σινδ '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_G_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Θέση της περιοχής μελέτης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Τύποι και πηγές δεδομένων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' (a) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Rabi, (b) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Kharif , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2014–2015), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2016–2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (2017), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας σιταριού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας βαμβακιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας ρυζιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

Ο αγροτικός τομέας καταναλώνει το 90% του παγκόσμιου νερού, από το οποίο το 40% των καλλιεργειών παράγεται μέσω του συστήματος άρδευσης. Η μη βιώσιμη γεωργία δεν μπορεί να επιτύχει τις διατροφικές απαιτήσεις για τον αυξανόμενο πληθυσμό και ο αγροτικός τομέας αντιμετωπίζει προκλήσεις χαμηλής παραγωγικότητας νερού των καλλιεργειών, έτσι η χρήση του νερού πρέπει να βελτιστοποιηθεί για να παράγει περισσότερα τρόφιμα. Ο αγροτικός τομέας του Πακιστάν συνεισφέρει το 24% της Ακαθάριστης Εγχώριας Παραγωγής και απασχολεί το 45% του συνολικού εργατικού δυναμικού του. Το Πακιστάν έχει δύο κύριες περιόδους καλλιέργειας - Rabi and Kharif. Η καλλιέργεια Kharif εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ποσότητα και την κατανομή των βροχοπτώσεων, ειδικά κατά την περίοδο των μουσώνων. Το σύστημα καναλιών του ποταμού Ινδού υποστηρίζει κυρίως τη γεωργία. Το φράγμα Sukkur είναι το παλαιότερο από αυτά. Πριν από το φράγμα Sukkur, χτίστηκε το κανάλι Rohri μήκους 350 χιλιομέτρων, ένα από τα παλαιότερα κανάλια, το οποίο ποτίζει αγροκτήματα στην αριστερή όχθη του ποταμού Ινδού κάτω από το φράγμα Sukkur και περίπου 2,9 εκατομμύρια στρέμματα γεωργικής γης αντλούν νερό από αυτό σε εννέα περιοχές. Επίσης, ποτίζει εδάφη μέχρι την παράκτια περιοχή της Σινδ για οπωρώνες και περιοχές όπου καλλιεργούνται καλλιέργειες όπως το ζαχαροκάλαμο, το βαμβάκι και το σιτάρι. Η φθίνουσα διαθεσιμότητα νερού στο Πακιστάν είναι ανησυχητική, λόγω της ταχείας αστικοποίησης και εκβιομηχάνισης τα τελευταία πενήντα χρόνια. Εκτός από τον ποταμό Ινδό, άλλοι υδατικοί πόροι στο Πακιστάν είναι τα υπόγεια ύδατα και η βροχόπτωση. Ωστόσο, τα υπόγεια ύδατα εξαντλούνται με τεράστιο ρυθμό λόγω της εκτεταμένης υπερεκμετάλλευσης. Η ανάγκη για άρδευση έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία 20 χρόνια λόγω της επέκτασης της περιοχής καλλιέργειας. Η παροχή νερού ήταν μικρότερη από το 26% των απαιτήσεων σε νερό των καλλιεργειών το καλοκαίρι του 2012, ενώ το χειμώνα, ήταν περίπου 20% πλεόνασμα. Ο ποταμός Ινδός έχει παραγωγικότητα 54%, ενώ η παραγωγικότητα του αρδευτικού συστήματος της Σινδ είναι μόλις 35%. Το κύριο πρόβλημα διαχείρισης του νερού είναι η έλλειψη νερού στις αρχές της περιόδου που ακολουθείται από υπερβολικό νερό με την έναρξη των μουσώνων. Οι αρχές της αποδοτικότητας του νερού βοηθούν στην αξιολόγηση της τρέχουσας παραγωγής και στη διερεύνηση στρατηγικών για την εξοικονόμηση πραγματικού νερού από τα χωράφια στις λεκάνες απορροής. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι η ιδέα να αξιοποιήσετε στο έπακρο τις καλλιέργειες, τα ζώα και άλλα πράγματα, ενώ χρησιμοποιείτε τη λιγότερη δυνατή ποσότητα νερού. Τα δεδομένα σχετικά με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται από τις καλλιέργειες πρέπει να λαμβάνονται ως προαπαιτούμενο πριν από τη χρήση αυτής της στρατηγικής. Η χρήση τιμών εξατμισοδιαπνοής (ET) για την επίλυση απλών εξισώσεων για τον προσδιορισμό της ποσότητας του νερού που καταναλώνεται μπορεί, επομένως, να είναι μια λύση σε αυτό το χρονικά περιορισμένο πρόβλημα. Οι πραγματικές μετρήσεις εξατμισοδιαπνοής (ETa) λαμβάνονται από δορυφορικές φωτογραφίες για επεξεργασία. Αυτή η μελέτη αναλύει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) και τη παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών σιταριού, ρυζιού και βαμβακιού σε εννέα περιοχές της Σινδ εντός της περιοχής διοίκησης του Καναλιού Rohri και θα βοηθήσει στον εντοπισμό περιοχών υψηλών γεωργικών επιδόσεων και θα παρέχει πληροφορίες για τη διαχείριση του συστήματος άρδευσης, οδηγώντας σε βιώσιμη παραγωγικότητα του νερού. Η τηλεπισκόπηση παρέχει μεγάλης κλίμακας δεδομένα εξατμισοδιαπνοής. Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε μια ισχυρή πύλη δεδομένων που βασίζεται στην τηλεπισκόπηση — ροή εξατμισοδιαπνοής του Google Earth Engine (EEFlux) που βασίζεται στη «Χαρτογράφηση εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερική βαθμονόμηση (METRIC)». Αυτός ο ιστότοπος δεδομένων έχει μεγάλες δυνατότητες εκτίμησης του ETa. Το METRIC είναι μια τροποποιημένη έκδοση του «Αλγόριθμου Επιφανειακής Εξισορρόπησης Ενέργειας για Γη (SEBAL), που χρησιμοποιείται στις μέρες μας για τη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής. Το METRIC απαιτεί χειροκίνητες επιλογές εικονοστοιχείων, επομένως έχουν αναπτυχθεί μοντέλα αυτόματης βαθμονόμησης λόγω αβεβαιότητας που μπορεί να προκύψει κατά τη βαθμονόμησή του με διαφορετικούς χρήστες. Τα αυτόματα μοντέλα απαιτούν επίσης τεράστια προεπεξεργασία, όπως η συναρμολόγηση διαφόρων στρωμάτων, το τοπικό κλίμα, τα δορυφορικά δεδομένα, οι χρήσεις γης/κάλυψη, οι χάρτες εδάφους και η εισαγωγή δεδομένων. Το EEFlux όχι μόνο παρέχει έναν αυτόματο μηχανισμό εισαγωγής δεδομένων, αλλά συνδέεται επίσης με το Google Earth Engine (GEE) με τον αλγόριθμο METRIC και παρέχει χάρτες για το Landsat 5, 7, ή 8. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν εικόνες Landsat 5 και 8. 

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Περιγραφή της Περιοχής Μελέτης '''

Το κανάλι Rohri είναι ένα κύριο συστατικό του γεωργικού τομέα στη Σινδ και είναι ένα τεχνητό κανάλι χτισμένο στο φράγμα Sukkur με 2,6 εκατομμύρια στρέμματα για άρδευση. Η περιοχή διοίκησης του καναλιού Rohri καλύπτει και παρέχει νερό σε μεγάλα τμήματα των εννέα περιοχών της Σινδ και βρίσκεται σε θερμό κλίμα με ετήσια βροχόπτωση που δεν υπερβαίνει τα 200 mm και ελάχιστη θερμοκρασία 18 ◦C. Οι κύριες καλλιέργειες που παράγονται σε αυτές τις περιοχές είναι το βαμβάκι και το σιτάρι. Το ρύζι καλλιεργείται επίσης σε αυτήν την περιοχή, αλλά δεν συγκαταλέγεται στις κύριες καλλιέργειες. 

''' 2.2. Μεθοδολογία '''

Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών ορίζεται ως η αναλογία της απόδοσης της καλλιέργειας διαιρούμενη με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται για την παραγωγή της και υπολογίστηκε για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι για τη περίοδο Kharif (1998 και 2017) και Rabi (2014–2015 και 2016–2017). Μετρήθηκε σε kg/m3 και οι χρήσεις του νερού των καλλιεργειών, ή ETa, υπολογίζονται από δεδομένα τηλεπισκόπησης. Χρησιμοποιώντας δορυφορικά δεδομένα, η χρήση του νερού των καλλιεργειών μπορεί να μετρηθεί σε μεγαλύτερες χρονικές και χωρικές κλίμακες. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως η άρδευση, η γονιμότητα του εδάφους, ο έλεγχος παρασίτων και ασθενειών και συχνά αυξάνεται από οποιονδήποτε διαχειριστικό παράγοντα που βελτιώνει την παραγωγή των καλλιεργειών, καθώς η εξατμισοδιαπνοή είναι συνήθως λιγότερο αντιδραστική στις αλλαγές αυτών των παραγόντων από την απόδοση. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι απαραίτητη για την κατανόηση της σχέσης μεταξύ νερού και τροφής και οι τιμές της για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι εκτιμήθηκαν χρησιμοποιώντας την εξίσωση (1): 

<center> ''' CWP = y (Yield) /ETa , (1) ''' </center>

όπου, η CWP είναι η Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών (kg/m3 ), το y αντιπροσωπεύει την απόδοση (kg/m2 ), το ETa είναι η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (m3/ha1). Για αυτήν τη μελέτη, η αρδευόμενη περιοχή και οι αποδόσεις σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού ελήφθησαν από το τμήμα υπηρεσιών αναφοράς καλλιεργειών στο Χαϊντεραμπάντ. 

''' 2.3. Σύνολα δεδομένων '''

''' 2.3.1. Δεδομένα καλλιεργειών '''

Τα δεδομένα για τις καλλιέργειες ελήφθησαν από τη στατιστική έκθεση της Σινδ και το τμήμα γεωργίας.

''' 2.3.2. Crop Masks '''

Crop Masks μπορεί να οριστεί ως η χωρική πληροφορία της κατανομής των διαφόρων καλλιεργειών. Crop Masks για το σιτάρι (2013–2014), το βαμβάκι και το ρύζι (2014–2015) αναπτύχθηκαν από τον Οργανισμό Τροφίμων και Γεωργίας και το Υπουργείο Γεωργίας των Ηνωμένων Πολιτειών ως μέρος του έργου «Γεωργικό Πληροφοριακό Σύστημα - Δημιουργία επαρχιακής ικανότητας στο Πακιστάν για την εκτίμηση, την πρόβλεψη και την αναφορά των καλλιεργειών με βάση την ολοκληρωμένη χρήση των δεδομένων τηλεπισκόπησης». Οι δορυφορικές εικόνες SPOT-5 έχουν χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή αυτών των Crop Masks. 

''' 2.3.3. Εξατμισοδιαπνοή Αναφοράς'''

Για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr), υποθέσαμε ότι η γη ήταν καλυμμένη με γρασίδι και υπολογίσαμε την εξατμισοδιαπνοή από αυτό το γρασίδι. Για τη λεκάνη του Ινδού, σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιούνται τιμές εξατμισοδιαπνοής αναφοράς χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Penman–Monteith.

''' 2.3.4. Δεδομένα Τηλεπισκόπησης '''

Οι εικόνες Landsat λαμβάνονται από την πύλη Earth Engine Evapotranspiration Flux (EEFlux), η οποία παρέχει επεξεργασμένες εικόνες Landsat 5 και 8. Βασίζεται στη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερικοποιημένη βαθμονόμηση και η διαδικασία που βασίζεται στην εικόνα Landsat λειτουργεί στο σύστημα Google Earth Engine. Η χρονική ανάλυση είναι 16 ημέρες με χωρική ανάλυση 30 m. Χρησιμοποιώντας την εξίσωση Penman-Monteith, το EEFlux περιλαμβάνει σύστημα αφομοίωσης δεδομένων γης της Βόρειας Αμερικής για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr). Τα έτη 1998, 2017, 2014–2015 και 2016–2017 επιλέχθηκαν με βάση τις χαμηλές και υψηλές ροές που προέκυψαν από τα δεδομένα ροής χρησιμοποιώντας την ανάλυση συχνότητας. 

''' 2.3.5. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Το EEFlux παρέχει βαθμονομημένες εικόνες που αποδίδουν μια τιμή εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr) σε κάθε εικονοστοιχείο και η τιμή της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) ανά ημέρα υπολογίστηκε πολλαπλασιάζοντας την ETr και την πιθανή εξατμισοδιαπνοή ETo. Εικόνες Landsat εξήγαγαν την ETr από τις καλλιέργειες σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού. Οι ημερομηνίες αναφοράς του παράγοντα εξατμισοδιαπνοής (ETrf) επιλέχθηκαν από τα Πρότυπα του Τμήματος Άρδευσης της Σινδ και από τη χρονική περίοδο των σταδίων ανάπτυξης της καλλιέργειας από την αρχική έως την ωριμότητα. Ωστόσο, κάθε καλλιέργεια έχει διαφορετικές χρονικές περιόδους ανάπτυξης. Η ETa θεωρείται ως κατάλοιπο του ενεργειακού ισοζυγίου της επιφάνειας. Δίνεται στην Εξίσωση (2).

<center> ''' LE = Rn − H − G, (2) ''' </center>

όπου, LE είναι η λανθάνουσα ροή θερμότητας, Rn είναι καθαρή ακτινοβολία, G είναι ροή θερμότητας του εδάφους και H είναι αισθητή ροή θερμότητας. Ο ETrF (συντελεστής εξατμισοδιαπνοής αναφοράς) υπολογίστηκε με την Εξίσωση (3) και η σωρευτική ETa για κάθε εποχή υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας την Εξίσωση (4) για διαφορετικές φάσεις ανάπτυξης της καλλιέργειας, συμπεριλαμβανομένων των σταδίων αρχικής, ανάπτυξης, ανθοφορίας και ωριμότητας. 

<center> ''' ETrF = ETa/ETr(Re f erence ET) , (3) ''' </center>

<center> ''' ETseason = ETrFseasonΣ n q ETr−24, (4) ''' </center>

όπου, το ETrf αντιπροσωπεύει το ET αναφοράς για μια συγκεκριμένη περίοδο σταδίου ανάπτυξης, το ETr−24 είναι ένα ημερήσιο ET αναφοράς για συγκεκριμένο αριθμό ημερών, το n υποδηλώνει αριθμό ημερών και ελήφθησαν οι τιμές ETr της απαιτούμενης περιοχής εντολής καναλιού. 

''' 2.4. Ημερολόγια καλλιεργειών '''

Το ημερολόγιο καλλιεργειών διαφέρει για διαφορετικές περιοχές αλλά και από καλλιέργεια σε καλλιέργεια, όπως το σιτάρι που καλλιεργείται στο Rabi και το βαμβάκι που καλλιεργείται στο Kharif. Για τον υπολογισμό της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) χρησιμοποιήθηκαν ημερολόγια καλλιέργειας για τις μεσαίες και κατώτερες περιοχές της Σινδ. Οι ημερομηνίες για το μεσαίο και το κάτω μέρος της Σινδ είναι διαφορετικές για τη σπορά και τη συγκομιδή, δηλαδή, το αρχικό στάδιο σποράς στην κάτω Σινδ ξεκινά ένα μήνα νωρίτερα απ'οτι στη μεσαία. Η καλλιέργεια σιταριού της εποχής Rabi ξεκινά τον Οκτώβριο και τον Νοέμβριο, αντίστοιχα, στα κάτω και στα ανώτερα τμήματα της επαρχίας. Αντίθετα, οι καλλιέργειες βαμβακιού και ρυζιού καλλιεργούνται την περίοδο Kharif από τον Απρίλιο. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΕΙΣ '''

''' 3.1. Ροές ποταμών '''

Αξιολογήθηκαν οι ετήσιες εποχιακές ροές. Ωστόσο, η εξίσωση (4α) δείχνει το μέσο διάστημα δύο εκφορτίσεων ίσου (ή μεγαλύτερου) μεγέθους σε χρόνια μεταξύ των εμφανίσεων που είναι γνωστό ως Διάστημα Υποτροπής (RI). 

<center> ''' RI = (Ν + 1)/Μ , (4α) ''' </center>

όπου, RI = Διάστημα υποτροπής, N = Μέγιστη Ετήσια Απόρριψη, Μ = Κατάταξη (για τη μεγαλύτερη κατάταξη ροής M = 1 και τη μικρότερη κατάταξη ροής M = n ή 21 σε αυτήν τη μελέτη). Η εξίσωση (4β) μπορεί να ορίσει μια πιθανότητα ενός δεδομένου μεγέθους μιας πλημμύρας κάθε χρόνο.

<center> ''' P = (1/RI)× 100 , (4β) ''' </center>

σύμφωνα με τις ροές της σεζόν Rabi από το 1998–1999 έως το 2018–2019 του φράγματος Sukkur, οι τάξεις κατανεμήθηκαν και ταξινομήθηκαν σε υψηλή, μεσαία και χαμηλή. Η πιθανότητα υπέρβασης (P) έχει υπολογιστεί για την εποχή Rabi κατά την οποία καλλιεργούνται οι καλλιέργειες σιταριού. Υπήρξε υψηλή ροή το 2014–2015 και η μέση ροή καταγράφηκε το 2003–2004. Τα έτη 2016-2017 θεωρήθηκε μέσης ροής, ενώ το 2001-2002 θεωρήθηκε έτος χαμηλής ροής. Οι ροές της εποχής Kharif από το 1998 έως το 2017 του φράγματος Sukkur κατηγοριοποιήθηκαν και αυτές ως υψηλές, μεσαίες και χαμηλές. Το 2010 λόγω της πλημμύρας του ποταμού, προκαλεί ζημιές στη Σινδ, ενώ το 1998 επιλέχθηκε ως το έτος υψηλής ροής (επόμενο υψηλότερο μετά το 2010). Το έτος μέσης ροής ήταν το 2017 και το έτος χαμηλής ροής ήταν το 2004. Σε αυτή τη μελέτη αναλύθηκαν καλλιέργειες ρυζιού και βαμβακιού που καλλιεργήθηκαν την περίοδο Kharif. 

''' 3.2. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Υπολογίστηκε η πραγματική μηνιαία εξατμισοδιαπνοή, η οποία υπολογίζει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας (CWP). Μπορεί να παρατηρηθεί ότι το αρχικό στάδιο έχει τη χαμηλότερη ETa, ενώ το στάδιο της ανθοφορίας έχει την υψηλότερη εξατμισοδιαπνοή αφού σε αυτό το στάδιο απαιτείται περισσότερο νερό για την ανάπτυξη των φυτών.

''' 3.2.1. Καλλιέργεια Σιταριού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή έχει υπολογιστεί χρησιμοποιώντας crop masks για τα τέσσερα στάδια: αρχικό, ανάπτυξη της καλλιέργειας, ανθοφορία και ωριμότητα. Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή της εποχής Rabi της καλλιέργειας σίτου, υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας τα ETrf και ETr. Η ETa είναι χαμηλή στο αρχικό στάδιο, καθώς είναι το στάδιο της σποράς, ενώ η ETa ήταν υψηλότερη στο στάδιο της ανθοφορίας (2014–2015). Η τιμή της ETa για την περίοδο 2016–2017 είναι χαμηλότερη από την τιμή για την περίοδο 2014–2015.

''' 3.2.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή ήταν περισσότερη για την καλλιέργεια βαμβακιού παρά για το σιτάρι. Την περιόδο Kharif του 1998 η ροή ήταν υψηλή, ενώ την υψηλότερη τιμή ETa είχε το 2017, υψηλότερη από το 1998. Το 2017 οι ροές ήταν κανονικές/μέτριες. Αυτό δείχνει ότι οι υψηλότερες ροές δεν συνδέονται απαραίτητα με υψηλότερες τιμές ETa. 

''' 3.2.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας ρυζιού το 1998, ήταν υψηλότερη από το σιτάρι και το βαμβάκι, καθώς το ρύζι καταναλώνει περισσότερο νερό. Το ρύζι δεν είναι η κύρια καλλιέργεια της Σινδ, ωστόσο, καλλιεργείται στις συνοικίες της, ενώ, απαγορεύεται στην Κάτω Σινδ λόγω λειψυδρίας. 

''' 3.3. Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών Κύριων Καλλιεργειών '''

''' 3.3.1. Καλλιέργεια Σιταριού (2014-2015 και 2016-2017) '''

Η μέση παγκόσμια CWP σιταριού είναι 0,86 kg/m3 έως 1,80 kg/m3. Υπάρχουν τρεις παγκόσμιες κατηγορίες για CWP σίτου: χαμηλή (<= 0,75 kg/m3), μεσαία (> 0,75 kg/m3 έως < 1,10 kg/m3) και υψηλή (>= 1,10 kg/m3). Για το Πακιστάν, η μέση CWP είναι 0,80 kg/m3 έως 0,91 kg/m3, η οποία εμπίπτει στη μεσαία κατηγορία. Υπήρξε υψηλότερη ροή το 2014-2015, ενώ το 2016-2017 ήταν μέτρια. Η μέση CWP για την καλλιέργεια σιταριού ήταν 1,03 kg/m3 το 2014–2015 και 1,02 kg/m3 το 2016-2017. Συνολικά, η CWP της καλλιέργειας σιταριού είναι κάτω από το αναφερόμενο εύρος, δηλαδή μεταξύ 0,32 kg/m3 έως 1,08 kg/m3. Λόγω της υπερχείλισης, της αλατότητας, των συνθηκών του εδάφους και της έλλειψης διαθεσιμότητας υπόγειων υδάτων, η CWP της Σινδ είναι μικρότερη από το Παντζάμπ. Η απόδοση σιταριού της Σινδ είναι 33% μικρότερη από την απόδοση σιταριού του Παντζάμπ.

''' 3.3.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Για τα έτη 1998 και 2017, την εποχή Kharif, οι τιμές CWP της καλλιέργειας βαμβακιού ήταν σταθερές. Οι μέσες CWP της περιοχής μελέτης των καλλιεργειών βαμβακιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,12 kg/m3 και 0,16 kg/m3,αντίστοιχα. 

''' 3.3.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Οι περισσότερες από τις καλλιέργειες που επιλέχθηκαν σε αυτή τη μελέτη είναι κύριες καλλιέργειες, εκτός από το ρύζι. Το ρύζι είναι μια από τις άλλες καλλιέργειες που η κυβέρνηση της Σινδ απαγόρευσε λόγω της έλλειψης νερού, ωστόσο, το ρύζι καλλιεργήθηκε το 1998 σε όλη τη Σινδ. Συνολικά, οι μέσες τιμές CWP ρυζιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,32 kg/m3 και 0,54 kg/m3, αντίστοιχα. Δεδομένου ότι το ρύζι δεν απαγορεύτηκε το 1998 στην περιοχή μελέτης, το νερό για άλλες καλλιέργειες χρησιμοποιήθηκε για το ρύζι. Οι άλλες καλλιέργειες πήραν αρκετό νερό μετά τη διακοπή της καλλιέργειας ρυζιού.

''' 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Αυτή η μελέτη υπολόγισε την παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών (CWP) του σιταριού, του βαμβακιού και του ρυζιού του Καναλιού Rohri, χρησιμοποιώντας δεδομένα τηλεπισκόπησης στο περιβάλλον GIS. Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή υπολογίστηκε για τις εννέα περιοχές για δύο εποχές Rabi (2014 -2015 και 2016–2017) και δύο εποχές Kharif (1998 και 2017). Τα έτη επιλέχθηκαν με βάση τις υψηλές και μέτριες ροές που περνούσαν από το φράγμα Sukkur. Η ETa εξαρτάται από τον τύπο της καλλιέργειας, διότι ορισμένες καλλιέργειες χρειάζονται περισσότερο νερό από άλλες. Τα αποτελέσματα της μελέτης συνόψισαν ότι η εκτίμηση της πραγματικής ET είναι ζωτικής σημασίας για τη διαχείριση του νερού άρδευσης και των συνθηκών καταπόνησης των καλλιεργειών. Αυτή η χρήση του μοντέλου EEFlux για τη λήψη εικόνων ETrf είναι εφικτή για την επεξεργασία τους με ελάχιστη προσπάθεια. Η μέση CWP της καλλιέργειας σιταριού για την περίοδο 2014–2015 και 2016–2017 ήταν, αντίστοιχα, 1,03 kg/m3 και 1,02 kg/m3, ενώ η CWP αυξήθηκε το έτος 2014–2015 σε σύγκριση με το 2016–2017. Υπάρχει περιορισμός δεδομένων σε τρεις περιφέρειες (Matiyari, Tando Allahyar και Tando Muhammad Khan) σχετικά με την περιοχή καλλιέργειας και την παραγωγή βαμβακιού και ρυζιού το 1998, επομένως, υπολογίστηκε η μέσα CWP βαμβακιού και ρυζιού μόνο για έξι περιοχές. Το 1998, συνολικά, η CWP αυξήθηκε και για τις δύο καλλιέργειες, ωστόσο, το ρύζι έχει απαγορευτεί από την κυβέρνηση της Σινδ λόγω της έλλειψης νερού. Το ρύζι παίρνει περισσότερο νερό από άλλες καλλιέργειες και το εξοικονομημένο νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οικιακούς και βιομηχανικούς σκοπούς. Η CWP επηρεάζεται από γεωργικές πρακτικές που περιλαμβάνουν προετοιμασία γης, μεθόδους σποράς, ποιότητα σπόρων και εδάφους, εφαρμογή νερού και λιπασμάτων και έλεγχο ζιζανίων και παρασίτων. Η προτεινόμενη προσέγγιση είναι αρκετά εφικτή και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διαφορετικές περιοχές με διάφορες καλλιέργειες, ενώ προωθούνται τεχνικές τηλεπισκόπησης για την αποτελεσματική διαχείριση της φυτικής παραγωγής. 

[[category:Γεωργία]]
[[category:Υδατικοί Πόροι]]
[[category:Παρακολούθηση εδαφικής υγρασίας, εξατμισοδιαπνοής]]

Νέα τεχνική για την παρακολούθηση γεωργικών εκτάσεων υψηλής φυσικής αξίας στη Βασιλικάτα

2024-02-24T07:10:57Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''New Technique for Monitoring High Nature Value Farmland (HNVF) in Basilicata''

'''Συγγραφείς: ''' Costanza Fiorentino, Paola D’Antonio, Francesco Toscano, Angelo Donvito and Felice Modugno

'''Δημοσιεύθηκε: ''' ''Sustainability 2023, 15, 8377. https://doi.org/10.3390/su15108377 ''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Γεωργία, προσδιορισμός αξίας γης

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Παρακολούθηση γεωργικών εκτάσεων υψηλής φυσικής αξίας στην περιοχή της Βασιλικάτα '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_b_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Σχέδιο των τριών τύπων περιοχών HNVF και πώς μπορούν να εντοπιστούν λειτουργικά εντός γεωργικών περιοχών, Ελλάδα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15108377] '']]

[[Αρχείο:Foufa_b_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Γεωγραφική θέση της περιοχής Βασιλικάτα στη νότια Ιταλία, Ελλάδα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15108377] '']]

[[Αρχείο:Foufa_b_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' Μηνιαίοι χάρτες δεικτών SMI Μαΐου (α), Ιουνίου (β), Ιουλίου (γ), Αυγούστου (δ) και Σεπτεμβρίου (ε) 2012, Ελλάδα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15108377] '']]

[[Αρχείο:Foufa_b_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' α) Χάρτης του δείκτη μεταβλητότητας καλλιεργειών (CD), β) Χάρτης εκτεταμένων πρακτικών (EP), γ) Χάρτης παρουσίας δείκτη φυσικού στοιχείου (Ne), Ελλάδα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15108377] '']]

[[Αρχείο:Foufa_b_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' Χάρτης του δείκτη HNVF που λαμβάνεται ως το σταθμισμένο άθροισμα των τριών υποδεικτών CD, EP και Ne. Ο δείκτης κυμαίνεται μεταξύ 0 και 30, Ελλάδα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15108377] '']]

[[Αρχείο:Foufa_b_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' HNVF Χάρτης των δήμων στην περιοχή Βασιλικάτα. Το σχήμα (α) δείχνει τον χάρτη που σχετίζεται με μια τιμή ίση με το 30ο εκατοστημόριο, ενώ το σχήμα (β) δείχνει τον χάρτη που σχετίζεται με μια τιμή ίση με το 15ο εκατοστημόριο, Ελλάδα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15108377] '']]

[[Αρχείο:Foufa_b_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Χάρτης του δείκτη φυσικής αξίας στην περιοχή Βασιλικάτα (ISPRA 2017), Ελλάδα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15108377] '']]

[[Αρχείο:Foufa_b_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Χάρτες περιοχών HNVF στην περιοχή Βασιλικάτα που δημοσιεύθηκαν το 2014, Ελλάδα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15108377] '']]

Γεωργικές περιοχές με υψηλή φυσιοκρατική αξία είναι εκείνες οι περιοχές που χαρακτηρίζονται από καλό επίπεδο ποικιλομορφίας καλλιεργειών, όπου τα μηχανήματα και οι εισροές όπως λιπάσματα και φυτοφάρμακα μειώνονται, ημιφυσικές περιοχές με εκτεταμένη γεωργία και η παρουσία φρακτών, σειρών δέντρων και περιοχών αυθόρμητης βλάστησης. Οι περιοχές HNVF συμβάλλουν σημαντικά στη διατήρηση υψηλού βαθμού βιοποικιλότητας. Μελέτες εντόπισαν πιθανές περιοχές HVNF σε ευρωπαϊκή κλίμακα συνδυάζοντας τις χαρτογραφικές πληροφορίες του Corine Land Cover με τις στατιστικές οικονομικές πληροφορίες του Farm Accountancy Data Network. Από τις πρώτες μελέτες, έχουν οριστεί τρεις τύποι περιοχών HNVF:

Τύπος 1: Αγροτική γη με υψηλή κάλυψη ημιφυσικής βλάστησης, τύπος 2: Γεωργική γη που κυριαρχείται από γεωργία χαμηλής έντασης ή από ένα μωσαϊκό ημιφυσικών και καλλιεργούμενων περιοχών, τύπος 3: Γεωργική γη με σπάνια είδη ή υψηλή αναλογία ζωικών και/ή φυτικών ειδών με ενδιαφέρον διατήρησης.

Το HNVF απέκτησε ιδιαίτερη σημασία το 2005 όταν υιοθετήθηκε ως δείκτης από το Κοινό Πλαίσιο Παρακολούθησης και Αξιολόγησης των Προγραμμάτων Αγροτικής Ανάπτυξης. Παρόλο που η Ευρωπαϊκή Επιτροπή δεν παρείχε λεπτομερή και αυστηρή μεθοδολογία για τον προσδιορισμό του HNVF, υπέδειξε γενικές οδηγίες, αφήνοντας τη δυνατότητα προσαρμογής των μεθοδολογιών στις διάφορες γεωγραφικές περιοχές και στα διαθέσιμα δεδομένα.

Το European Evaluation Helpdesk for Rural Development δημοσίευσε μια μεθοδολογία για την παρακολούθηση των περιοχών HNVF:

1. Αναπτύχθηκε και αποθηκεύτηκε σε έργο GIS με χρήση γεωαναφορικών δεδομένων και χαρτών, 2. Με βάση ολοκληρωμένες μεθόδους για την κάλυψη γης και την ένταση καλλιέργειας/αναπαραγωγής, λαμβάνοντας υπόψη τα στοιχεία που διατηρούν την κατανομή των ειδών,

3. Δυναμική-για την παρακολούθηση της χωροχρονικής διακύμανσης των περιοχών HNVF,

4. Δυνατότητα καταγραφής και αναφοράς αύξησης ή μείωσης των δεικτών HNVF και, επομένως, του επιπέδου βιοποικιλότητας μιας συγκεκριμένης περιοχής.

Η μεταρρύθμιση της Κοινής Αγροτικής Πολιτικής (ΚΑΠ) του 2020 επιβεβαιώνει την προσοχή που έχει δοθεί στην περιβαλλοντική βιωσιμότητα, τη βιοποικιλότητα και υπογραμμίζει ένα δίκαιο εισόδημα για τους αγρότες. Οι κύριες αλλαγές της ΚΑΠ μετά το 2020 αφορούν τους τρόπους με τους οποίους τα κράτη μέλη θα καθορίσουν πώς να επιτύχουν στόχους, συμπεριλαμβανομένων εκείνων για ημιφυσικές και γεωργικές περιοχές που μειώνονται ή κινδυνεύουν να μειωθούν. Η νέα μεταρρύθμιση της ΚΑΠ για την περίοδο 2023–2027 θα απαιτήσει από τις χώρες να αναπτύξουν εθνικά στρατηγικά σχέδια για την προώθηση της περιβαλλοντικής και κοινωνικής βιωσιμότητας των γεωργικών συστημάτων. Το σχέδιο αυτό θα υποδεικνύει στις αρμόδιες αρχές τις συγκεκριμένες ενέργειες που πρέπει να υλοποιηθούν και θα προσδιορίζει τα κονδύλια που διατέθηκαν. Οι εκθέσεις εργαστηρίων και ομάδων επιστημονικών εμπειρογνωμόνων από ευρωπαϊκές χώρες τόνισαν την επείγουσα ανάγκη: αύξηση των προστατευόμενων περιοχών, αύξηση της χρηματοδότησης για τον μετριασμό των αρνητικών επιπτώσεων της γεωργίας στη βιοποικιλότητα και το κλίμα, αύξηση κονδυλίων που χρηματοδοτούν περιβαλλοντικούς και κοινωνικοοικονομικούς στόχους.

Η νέα ΚΑΠ στοχεύει στην προώθηση ενός βιώσιμου και ανταγωνιστικού γεωργικού τομέα που μπορεί να υποστηρίξει τα προς το ζην των αγροτών και να παρέχει υγιεινά και βιώσιμα τρόφιμα για την κοινωνία. Η γεωργία και οι αγροτικές περιοχές έχουν κεντρική θέση στην Ευρωπαϊκή Πράσινη Συμφωνία και η νέα ΚΑΠ θα αποτελέσει βασικό εργαλείο για την επίτευξη της βιοποικιλότητας. Οι δράσεις θα πρέπει να σχεδιάζονται τόσο σε εδαφικό επίπεδο όσο και σε επίπεδο αγροκτημάτων, να στοχεύουν στη διατήρηση και την προώθηση της βιοποικιλότητας σε σχέση με τις γεωργικές πρακτικές, να βασίζονται στη διατήρηση των γεωργικών περιοχών που έχουν φυσικά στοιχεία που υποστηρίζουν τη βιοποικιλότητα, όπως αγροδασοκομικές περιοχές, ρυάκια ή λιμνούλες που μπορούν να φιλοξενήσουν προστατευόμενα είδη. Άλλα σημαντικά στοιχεία αφορούν τη γεωπονική διαχείριση ξεκινώντας από τη διαχείριση του περιθωρίου του αγρού, την προσαρμογή των διαστάσεων του αγρού για να καταλήξουμε στη διαχείριση των υδάτινων πόρων, των λιπασμάτων και στη χρήση αγροχημικών προϊόντων για τον έλεγχο των ζιζανίων και την πρόληψη ασθενειών. Η διαχείριση όλων αυτών των στοιχείων είναι αρκετά περίπλοκη και οι πιθανές λύσεις διαφέρουν μεταξύ γεωργικών συστημάτων και εντός γεωργικών συστημάτων ανάλογα με τη γεωγραφική θέση. Για τη διατήρηση της βιοποικιλότητας, σημαντικό ρόλο έχουν, η διαχείριση της αγρανάπαυσης σε αρόσιμες εκτάσεις, η διατήρηση της κάλυψης χλοοτάπητα σε ξυλώδεις και μικτές καλλιέργειες, ο έλεγχος των πλημμυρών σε ορυζώνες και η διαχείριση των ποσοστών εκτροφής στους βοσκότοπους, ιδιαίτερα στους εκτεταμένους. Η μείωση της χρήσης φυτοφαρμάκων βελτίωσαν τη διαθεσιμότητα τροφής και την ποικιλομορφία των πτηνών των καλλιεργήσιμων εκτάσεων, ενώ η καθυστέρηση της συγκομιδής προσφέρει τροφή και καταφύγιο βελτιώνοντας την αφθονία των πτηνών.Οι διαδικασίες υπολογισμού HNVF μπορούν να παρέχουν πληροφορίες σχετικά με την πρωτογενή παραγωγή, τον κύκλο των θρεπτικών ουσιών, τον σχηματισμό του εδάφους, κ.λπ. Αυτοί οι δείκτες τροφοδοτούν ένα ευρύ φάσμα υπηρεσιών οικοσυστήματος. Η γεωργική γη HNVF έχει θετικό αντίκτυπο στην κλιματική αλλαγή, στην πρόληψη της διάβρωσης του εδάφους και στον βιολογικό έλεγχο. Τα εδάφη HNVF περιέχουν υψηλότερα επίπεδα οργανικού άνθρακα, συμβάλοντας στη ρύθμιση του κλίματος, στη διατήρηση της γονιμότητας του εδάφους και στην πρόληψη της διάβρωσης, της ερημοποίησης και της αλάτωσης του εδάφους. Η προμήθεια γεωργικών προϊόντων υψηλής ποιότητας και υψηλής οικονομικής αξίας συνδέεται με τη γεωργική γη HNVF κι αυτά τα προϊόντα συχνά επισημαίνονται ως αναγνωρισμένα υψηλής ποιότητας. Επομένως, η διατήρηση των περιοχών HNVF επηρεάζει έμμεσα την ποιότητα της παραγωγής τροφίμων και ζωοτροφών, την παροχή νερού και υπηρεσίες, όπως ψυχαγωγικές δραστηριότητες, αγροτουρισμός και διατήρηση της πολιτιστικής κληρονομιάς. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι ο καθορισμός διαδικασιών GIS με βάση την επεξεργασία συγκεκριμένων δεικτών για την επεξεργασία του χάρτη HNVF χρησιμοποιώντας δεδομένα που είναι διαθέσιμα στο αποθετήριο πληροφοριών της βάσης δεδομένων της δημόσιας αρχής. Η προτεινόμενη μεθοδολογία έχει το πλεονέκτημα της χρήσης δωρεάν δεδομένων εισόδου (π.χ. χάρτες Corine Land Cover, εικόνες τηλεπισκόπησης κ.λπ.) και είναι προσαρμόσιμη σε διαφορετικές χωρικές αναλύσεις.

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Η περιοχή μελέτης '''

Η περιοχή μελέτης είναι ολόκληρη η περιοχή της Βασιλικάτα, η οποία χαρακτηρίζεται από αγροτική κυρίως οικονομία και κυμαίνεται μεταξύ πολύ διαφορετικών οικοσυστημάτων: το νοτιοδυτικό τμήμα είναι πλούσιο σε δάση και φυσικές περιοχές, η παράκτια λωρίδα έχει αμπελώνες, περιβόλια και κηπευτικές καλλιέργειες, στις εσωτερικές περιοχές επικτατεί η καλλιέργεια σιταριού και στο βορειοανατολικό τμήμα υπάρχουν πολλές βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Τα δεδομένα εισόδου που χρησιμοποιήθηκαν για την επεξεργασία του χάρτη των περιοχών HNVF χωρίστηκαν σε τρεις ομάδες και ανέβηκαν σε ένα έργο GIS (QGIS):

1. Διαμόρφωση και δομή τοπίου: Το DEM/DTM υπολογίζεται από εικόνες τηλεπισκόπησης SAR, χρησιμοποιήθηκαν τοπογραφικοί χάρτες και χάρτης παράκτιων περιοχών που καλύπτονται από βλάστηση, 2. Χρήση γης: Corine Land Cover χάρτης, δορυφορικές εικόνες Modis, ορθοφωτογραφία 2012, χάρτης προστατευόμενων περιοχών: Εθνικά και Περιφερειακά Πάρκα, χάρτης βιολογικών καλλιεργειών, χάρτης ζωνών που χωρίζει την περιοχή της Βασιλικάτα σε 3 ομοιογενείς περιοχές κι αυτό παρέχει πληροφορίες για το βαθμό εξειδίκευσης της γεωργίας και έμμεσα παρέχει πληροφορίες για την ένταση των εξωτερικών εισροών,

3. Στατιστικά στοιχεία: στοιχεία από την 6η αγροτική απογραφή, δίκτυο λογιστικών δεδομένων FDAN Farm, δίκτυο οικονομικών δεικτών RICA (Ιταλικό CREA).

''' 2.2. Μεθοδολογία '''

Η μεθοδολογία βασίζεται στην προσέγγιση στατιστικών και γεωργικών συστημάτων κι έγκειται στη χρήση δορυφορικών εικόνων MODIS: να βελτιωθεί ο αριθμός και η ακρίβεια των τάξεων κάλυψης γης του χάρτη Corine Land Cover, να υπολογιστούν δείκτες που στοχεύουν στην παρακολούθηση των ιδιοτήτων του εδάφους και της βλάστησης.

Τρεις ανεξάρτητοι δείκτες συμβάλλουν στον χαρακτηρισμό της περιοχής HNVF: Μεταβλητότητα καλλιεργειών (CD), εκτεταμένες πρακτικές (EP), παρουσία φυσικών στοιχείων (Ne).

Τα κύρια χαρακτηριστικά μιας περιοχής υψηλής αξίας και το κριτήριο για τον καθορισμό του εάν ένας δήμος μπορεί να ταξινομηθεί ως περιοχή HNVF συνοψίζονται:

<center> ''' Index HNVF = (CD+EP+Ne) >Threshold, ''' </center>

Το αποδεκτό ελάχιστο όριο για να χαρακτηριστεί μια περιοχή ως γεωργική γη HNVF θα πρέπει να κυμαίνεται μεταξύ του 30ου και του 15ου εκατοστημόριου των καλύτερων βαθμολογιών του δήμου. Οι τρεις δείκτες (CD, EP και Ne) έλαβαν ίση βαρύτητα στον υπολογισμό του δείκτη HNVF και κανονικοποιήθηκαν ώστε να κυμαίνονται μεταξύ 0 και 10 προκειμένου να υπολογιστεί μια τελική βαθμολογία και να σχεδιαστούν χάρτες έτσι ώστε ο συνολικός δείκτης HNVF να κυμαίνεται μεταξύ 0 και 30. Η χρησιμοποιούμενη γεωργική περιοχή υπολογίζεται εξαιρουμένων των ανθρωπογενών περιοχών, των υδάτινων εκτάσεων και των παράκτιων περιοχών αμμόλοφων που καλύπτονται από βλάστηση. Η μελέτη περιλαμβάνει και τους 131 δήμους της περιοχής Βασιλικάτα.

Οι εικόνες τηλεπισκόπησης MODIS είναι διαθέσιμες στον ιστότοπο Earthdata. Από τον ιστότοπο, είναι δυνατή η λήψη μιας σειράς θεματικών χαρτών (π.χ. κάλυψη γης, δείκτες βλάστησης, θερμοκρασία επιφάνειας γης κ.λπ.) που προέρχονται από πολυφασματικές εικόνες MODIS. Σε αυτή την εργασία χρησιμοποιήθηκαν:

1. Τύποι κάλυψης γης: Παρέχει παγκόσμιους τύπους κάλυψης γης σε ετήσια διαστήματα (2001-2019) και σε χωρική ανάλυση 500 m. Οι τύποι κάλυψης γης είναι: 11 κατηγορίες φυσικής βλάστησης και 3 κατηγορίες άγονης ή χωρίς βλάστηση, ενώ οι υπόλοιποι 3 αποτελούν ένα μείγμα διαφορετικών τύπων ή/και τεχνητής βλάστησης, όπως καλλιεργήσιμες εκτάσεις. Χρησιμοποίηθηκαν οι χάρτες κάλυψης του εδάφους του 2010, του 2011 και του 2012 για τη βελτίωση και την ενσωμάτωση του χάρτη Corine Land Cover του 2012, καθώς, και η ορθοφωτογραφία του 2012 της περιοχής Βασιλικάτα και επιτεύχθηκε συνολική ακρίβεια περίπου 85%,

2. Το σύνολο δεδομένων θερμοκρασίας επιφάνειας γης (LST) ξεκινά από το 2003 και η χωρική ανάλυσή του είναι 1 km2,

3. Δείκτες βλάστησης: Ο δείκτης βλάστησης (NDVI) προέρχεται από ατμοσφαιρικά διορθωμένη ανάκλαση στις κόκκινες και εγγύς υπέρυθρες ζώνες κυμάτων και είναι χρήσιμο για να χαρακτηρίζεται πιο αποτελεσματικά το παγκόσμιο εύρος καταστάσεων και διεργασιών βλάστησης.

Οι ημερήσιοι χάρτες LST και NDVI συλλέχθηκαν σε μηνιαία διαστήματα κατά τη διάρκεια του έτους μελέτης 2012 σε χωρική ανάλυση 1 km και υπολογίστηκε ο δείκτης υγρασίας εδάφους (SMI):

<center> ''' SMI = (LSTmax - LST) /(LSTmax - LSTmin), ''' </center>

όπου LSTmax και LSTmin είναι η μέγιστη και ελάχιστη θερμοκρασία επιφάνειας για ένα δεδομένο NDVI και LST είναι η θερμοκρασία επιφάνειας ενός pixel για ένα δεδομένο NDVI. Το LSTmax και το LSTmin υπολογίζονται χρησιμοποιώντας τις ακόλουθες εξισώσεις:

<center> ''' LSTmax = a1 * NDVI + b1 and LSTmin = a2 * NDVI + b2, ''' </center>

όπου τα a1, a2, b1 και b2 είναι οι εμπειρικές παράμετροι που λαμβάνονται από τη γραμμική παλινδρόμηση. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ '''

Σε ορισμένες περιπτώσεις, οι δείκτες βιοποικιλότητας που σχετίζονται με την παρουσία ζωικών ή φυτικών ειδών προς διατήρηση δεν περιλαμβάνονται στην ανάλυση. Ο τύπος των δεικτών που υποβάλλονται σε επεξεργασία επηρεάζει σημαντικά την αναγνώριση HNVF και η χρήση πολλών μεθόδων μπορεί να οδηγήσει σε ευρέως αποκλίνοντα αποτελέσματα. Στην περιοχή Marche (Ιταλία), τα HNVF αναγνωρίστηκαν με βάση τη διάρθρωση και τα χαρακτηριστικά της βλάστησης, και στη Γαλλία, χρησιμοποιήθηκαν μόνο στατιστικές πληροφορίες και το έργο τους βελτιώθηκε το 2010 με την εισαγωγή πρόσθετων πληροφοριών για τη βλάστηση. Ο δείκτης βιοποικιλότητας συχνά υπολογίζεται αποκλειστικά με τη χρήση δεδομένων που σχετίζονται με την κατανομή των ειδών, με βάση πληροφορίες από το δίκτυο Natura 2000. Ωστόσο, αυτός ο χάρτης παραμελεί τα είδη που ζουν σε αγροτικά περιβάλλοντα, ιδιαίτερα τα εκτεταμένα. Στο μεσογειακό περιβάλλον, αυτοί οι βιότοποι είναι κυρίαρχοι και επομένως πολύ σημαντικοί για τη διατήρηση των ειδών. Οι περιοχές HNVF προσδιορίστηκαν σύμφωνα με το κριτήριο: HNVF Index > Threshold: 18,34 είναι η ελάχιστη τιμή που αντιστοιχεί στο 30ο εκατοστημόριο του Δείκτη HNVF του δήμου και η μέγιστη τιμή που αντιστοιχεί στο 15ο εκατοστημόριο είναι ίση με 19,27. Οι περιοχές HNVF χαρακτηρίζονται από μεγαλύτερη μεταβλητότητα καλλιεργειών και μεγαλύτερη παρουσία φυσικών στοιχείων που ευνοούν τη βιοποικιλότητα, ενώ υπάρχει μικρότερη κάλυψη εκτατικών καλλιεργειών. Η μέση τιμή που σχετίζεται με την παρουσία εκτεταμένων λιβαδιών και βοσκοτόπων είναι πολύ χαμηλότερη στις περιοχές που ταξινομούνται ως μη HNVF. Ο δείκτης υγρασίας του εδάφους είναι κατά μέσο όρο υψηλότερος για τις περιοχές HNVF, ενώ το άζωτο που παρέχεται στις καλλιέργειες αλλά δεν χρησιμοποιείται είναι χαμηλότερο σε αυτές τις περιοχές. 39 δήμοι ταξινομήθηκαν ως αγροτικές περιοχές με υψηλή αξία, και 92 αποκλείστηκαν. Ο δείκτης HNVF που σχετίζεται με τον δήμο της Salandra (ταξινομημένος ως μη-HNVF) έχει τιμή δείκτη CD χαμηλότερη από τη μέση τιμή της κατηγορίας HNVF, δείκτη EP συγκρίσιμο με τη μέση τιμή της κατηγορίας HNVF και δείκτη Ne ελαφρώς χαμηλότερο από τη μέση τιμή της κατηγορίας HNVF. Όσον αφορά τον δείκτη ΕP, ο δήμος της Salandra έχει υψηλότερο επίπεδο εκτατικών καλλιεργειών από τον μέσο όρο της κατηγορίας HNVF καθώς και από τον δείκτη που σχετίζεται με εκτατικά αγροκτήματα, αλλά στερείται φυσικών λιβαδιών. Επίσης, θα πρέπει να αυξήσει τη μεταβλητότητα των καλλιεργειών ή/και να αυξήσει την έκταση των εκτεταμένων λιβαδιών και βοσκοτόπων προκειμένου να επανέλθει στην περιοχή HNVF, αλλά μόνο το 4% της χρησιμοποιούμενης γεωργικής περιοχής προορίζεται για μη εκτεταμένα λιβάδια και βοσκοτόπια. Οι ακαλλιέργητες εκτάσεις συνεισφέρουν στον δείκτη EMC που σχετίζεται με την παρουσία εκτεταμένων καλλιεργειών, ο οποίος το 2010 για τον συγκεκριμένο δήμο αντιπροσώπευε το 35% του συνόλου των χρησιμοποιούμενων γεωργικων περιοχών σε σύγκριση με το 35% των χρησιμοποιούμενων γεωργικων περιοχών που προοριζόταν για γεωργικές καλλιέργειες, εκ των οποίων οι εκτατικές καλλιέργειες αντιστοιχούσαν σε 15 %. Επομένως, ο δήμος θα πρέπει να διατηρήσει και να αυξήσει τη γεωργική έκταση που είναι αφιερωμένη σε εκτεταμένες καλλιέργειες για να μπορέσει να επιστρέψει στην περιοχή HNVF. Το 2017, η ISPRA δημοσίευσε ένα λεπτομερές έγγραφο στο οποίο ο δείκτης HNVF υπολογίστηκε με βάση τρία στοιχεία: δείκτης περιοχών διατήρησης ενδιαφέροντος, δείκτης γεωποικιλότητας και δείκτης ανθρωπικού αντίκτυπου. Για τον υπολογισμό, λήφθηκαν υπόψη μόνο τοποθεσίες με κάποιο βαθμό περιφερειακού, εθνικού ή διεθνούς ενδιαφέροντος και εξαιρέθηκαν εκείνες τοπικού ενδιαφέροντος. Δύο διαφορετικοί επικριτές θεωρήθηκαν: η πυκνότητα πληθυσμού ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο και ο περιορισμός της φυσικότητας (π.χ. η διαταραχή λόγω της γειτνίασης με εξαιρετικά ανθρωπογενή περιβάλλοντα). Το 2015, για την κατασκευή του μοντέλου αναγνώρισης περιοχής HNVF, χρησιμοποιήθηκε μια διαδικασία πολλαπλών κριτηρίων αξιολόγησης, το οποίο επέτρεψε την ενοποίηση επτά κριτηρίων: χρήση γης, περιοχές σχεδίου αγροτικής ανάπτυξης, προστατευόμενες περιοχές, ευπαθή εδάφη, υδρογραφία, επιφανειακά οργανικά, και προϊόντα DOP και IGP. Οι εδαφικοί δείκτες υπολογίστηκαν σε ένα GIS και η σύγκριση μεταξύ των διαφόρων παραγόντων έγινε μέσω μιας Διαδικασίας Ανάλυσης Ιεραρχίας. Δημιουργήθηκαν τέσσερις διαφορετικές κρίσεις, σύμφωνα με τις απόψεις των αγροτών, των περιβαλλοντικών ενώσεων, των υπευθύνων χάραξης πολιτικής και των τεχνικών φορέων. Ένα μεγάλο μέρος της γεωργικής γης της Βασιλικάτα (περίπου το 48%) έχει υψηλή αξία. Το 2014, χαρτογραφήθηκαν οι περιοχές HNVF στη Βασιλικάτα σε χωρική ανάλυση 100 km2, χρησιμοποιώντας την προσέγγιση κάλυψης γης και τριών κριτηρίων: το υψηλό ποσοστό ημιφυσικής βλάστησης, τη παρουσία φυσικών, ημιφυσικών, δομικών στοιχείων του τοπίου και την παρουσία ειδών ενδιαφέροντος για τη διατήρηση της φύσης σε ευρωπαϊκό επίπεδο. Οι περιοχές που σχετίζονται με τις υψηλότερες τιμές του δείκτη HNVF βρίσκονται στο κέντρο της Βασιλικάτα και σε λωρίδα στη νοτιοδυτική περιοχή, ενώ στα βορειοανατολικά της περιοχής, υπάρχουν πολλές βιομηχανικές εγκαταστάσεις. 

''' 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Πρωταρχικός στόχος της νέας ΚΑΠ είναι η διατήρηση της βιοποικιλότητας και για το σκοπό αυτό, οι δείκτες HNVF διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο. Ένας θεμελιώδης στόχος της ΚΑΠ είναι η διατήρηση των γεωργικών εκτάσεων HNVF και των γεωργικών τους συστημάτων που είναι εξαιρετικά πολυλειτουργικά, συμβάλλοντας στη γεωργική παραγωγή ενισχύοντας παράλληλα τη διατήρηση της βιοποικιλότητας και παρέχοντας ένα ευρύ φάσμα υπηρεσιών οικοσυστήματος. Ο δείκτης HNVF υπολογίστηκε σε περιβάλλον GIS με την εφαρμογή της στατιστικής προσέγγισης που ενσωματώθηκε με την επεξεργασία εικόνων τηλεπισκόπησης μέσης ανάλυσης. Αυτή η προσέγγιση είναι πολύ ευέλικτη επειδή επιτρέπει τη διαχείριση πολλαπλών επιπέδων πληροφοριών γεωγραφικής αναφοράς και επίσης επειδή είναι εφαρμόσιμη σε διαφορετικές χωροχρονικές αναλύσεις (τοπικές, περιφερειακές και εθνικές). Η προσέγγιση GIS παρέχει χρήση γης υψηλής ανάλυσης, χάρτες επιφανειακής θερμοκρασίας και χάρτες βιομάζας, καθώς και χλωροφύλλης, εδάφους, και δείκτες υγρασίας εδάφους. Αυτές είναι μερικές από τις πιο συχνά ζητούμενες πληροφορίες για τη διαμόρφωση στρατηγικών βιώσιμης διαχείρισης για την κληρονομιά του τοπίου-περιβαλλοντικής κληρονομιάς και για την αποτελεσματικότητα των περιβαλλοντικών πολιτικών. 

[[category:Γεωργία]]

Δυναμική σχέση της γεωργικής χρήσης νερού και της αγροτικής οικονομίας στη λεκάνη απορροής του Κίτρινου Ποταμού της Εσωτερικής Μογγολίας

2024-02-24T07:04:37Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' Dynamic Relationship between Agricultural Water Use and the Agricultural Economy in the Inner Mongolia Section of the Yellow River Basin

'''Συγγραφείς: ''' Zhigang Ye, Ping Miao, Ning Li, Yong Wang, Fanhao Meng, Rong Zhang, Shan Yin

'''Δημοσιεύθηκε: ''' Sustainability 2023, 15, 12979. https://doi.org/10.3390/su151712979

'''Λέξεις κλειδιά: ''' ''Γεωργία, υδατικοί πόροι, πρόβλεψη φυτικής απόδοσης, σχεδιασμός αδρευτικών συστημάτων, σχεδιασμός αρδευτικού δικτύου''

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Μελέτη γεωργικής χρήσης νερού και αγροτικής οικονομίας (1998-2018)'''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_1_1.jpg | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Χάρτης της λεκάνης απορροής Κίτρινου Ποταμού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_2.jpg | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Τάσεις στη συνολική γεωργική χρήση νερού στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού (1998–2018), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' Μέσος όρος γεωργικών υδάτινων πόρων και χρήση ανά περιοχή στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού (2018), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' Τάσεις στις κύριες αποδόσεις των καλλιεργειών στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού (1998–2018), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' Τάσεις στο ΑΕΠ πρωτογενούς τομέα σε κάθε πόλη σε επίπεδο νομού στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού (1998–2018), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' Μερίδιο ΑΕΠ πρωτογενούς τομέα στο συνολικό ΑΕΠ σε κάθε πόλη σε επίπεδο νομού στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού (1998–2018), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Αποτελέσματα δοκιμών μοναδιαίας ρίζας για γεωργική χρήση νερού και αγροτική οικονομία. Τα dlnW και dlnG δείχνουν τις πρώτες διαφορές μεταξύ lnW και lnG. Τα ** και *** υποδεικνύουν ότι τα δεδομένα του πίνακα πέρασαν τη δοκιμή στα επίπεδα σημαντικότητας 5% και 1%, αντίστοιχα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Δοκιμή συνολοκλήρωσης δεδομένων του πίνακα για γεωργική χρήση νερού και αγροτική οικονομία. Τα * και *** υποδεικνύουν ότι τα δεδομένα του πίνακα πέρασαν τη δοκιμή στα επίπεδα 10% και 1%, αντίστοιχα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Γενικευμένη μέθοδος ανάλυσης στιγμών του μοντέλου διανυσματικής αυτοπαλίνδρομης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_10.png | thumb| right|'''Εικόνα 10.''' '' Δοκιμή αιτιότητας Granger μεταξύ γεωργικής χρήσης νερού και αγροτικής οικονομίας, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

Η γεωργική χρήση νερού, αποτελεί έναν σημαντικό πόρο για την αγροτική οικονομική ανάπτυξη, η οποία με τη σειρά της επηρεάζει την προσφορά πόρων. Λόγω της λειψυδρίας σε μεγάλες αγροτικές περιοχές της Κίνας απειλείται η επισιτιστική ασφάλεια στην Κίνα αλλά και τις γύρω περιοχές. Μια από τις κύριες περιοχές παραγωγής τροφίμων της Κίνας, η λεκάνη απορροής του Κίτρινου Ποταμού, στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας, η οποία είναι ζωτικής σημασίας για την επισιτιστική ασφάλεια στη βόρεια Κίνα, βρίσκεται σε μια άνυδρη και ημίξηρη περιοχή με λιγότερα από 300 χιλιοστά βροχής. Η αύξηση της βιομηχανικής και αγροτικής ανάπτυξης έχουν οδηγήσει σε μια ανισορροπία μεταξύ της παροχής και ζήτησης νερού. Το 2018, η γεωργική χρήση νερού στην περιοχή αντιστοιχούσε στο 78% της συνολικής κατανάλωσης νερού, ενώ από το 1998 έως το 2018, η ακαθάριστη γεωργική παραγωγή παρουσίασε μέσο ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης 7,3%. Παρόλο που το ποσοστό της αγροτικής οικονομίας στην περιοχή είναι λιγότερο από 20%, ο αγροτικός πληθυσμός αντιπροσωπεύει πάνω από το 60% του συνολικού πληθυσμού. Η γεωργική χρήση νερού αποτελεί το μεγαλύτερο ποσοστό κατανάλωσης νερού, και κατεπέκταση είναι το κλειδί για την αντιμετώπιση της λειψυδρίας. Η σχέση μεταξύ της γεωργικής χρήσης νερού και της αγροτικής οικονομίας είναι ένα βήμα προς την ανάπτυξη αποτελεσματικής πολιτικής υδατικών πόρων για την γεωργία αλλά και την ανάπτυξη της κοινωνικής οικονομίας. Ωστόσο, η σχέση γεωργικής χρήσης νερού-αγροτικής οικονομίας δεν έχει μελετηθεί. Επομένως, χρησιμοποιήσαμε ένα μοντέλο διανυσματικής αυτόματης παλινδρόμησης (PVAR) για να εξερευνήσουμε την αλληλεπίδραση μεταξύ των δύο μεταβλητών. Οι στόχοι αυτής της μελέτης ήταν (1) ο υπολογιστός και η ποσοτικοποίηση των χαρακτηριστικών αλλαγής της γεωργικής χρήσης νερού και της αγροτικής οικονομίας στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας στη λεκάνη απορροής του Κίτρινου Ποταμού και τις πόλεις αυτής της περιοχής και (2) να προσδιοριστεί εάν υπάρχει μια μακροπρόθεσμη σχέση ισορροπίας μεταξύ της γεωργικής χρήσης νερού και αγροτικής οικονομίας, αν υπάρχει αμοιβαία επιρροή, και αν υπάρχει αμφίδρομη σχέση.

''' 2. ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΕΛΕΤΗΣ, ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Επισκόπηση Περιοχής Μελέτης '''

Συνολικά 830 km του Κίτρινου Ποταμού (συνολικό μήκος: 5464 km) ρέει μέσα στο τμήμα του Εσωτερικής Μογγολίας. Το υψόμετρο είναι 799–2343 m, η γεωμορφολογία του είναι πολύπλοκη και το κλίμα είναι ξηρό και ημίξηρο με μέση ετήσια θερμοκρασία 6,63 ◦C. Ως προς τις διοικητικές διαιρέσεις, ο Κίτρινος Ποταμός στην Εσωτερική Μογγολία διέρχεται από έξι πόλεις (Hohhot, Baotou, Wuhai, Ordos, Bayannur και Alashan). Καθώς, ο Κίτρινος Ποταμός διασχίζει μόνο 85 χιλιόμετρα κατά μήκος της ανατολικής άκρης της Alashan, συμβάλλοντας ελάχιστα για τη γεωργική άρδευση, αποκλείσαμε τον Αλασάν από την μελέτη μας. Το τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού λογαριάζει περισσότερο από το 60% του ακαθάριστου εγχώριου προϊόντος (ΑΕΠ) της περιοχής και επομένως, η περιοχή εξαρτάται στη ροή του ποταμού για αγροτική ανάπτυξη. 

''' 2.2. Πηγές Δεδομένων και Προεπεξεργασία '''

Αναλύσαμε δύο μεταβλητές, τη γεωργική χρήση νερού και την αγροτική οικονομία μεταξύ 1998 και 2018. Τα δεδομένα ελήφθησαν από τα Inner Mongolia Statistical Yearbook, Inner Mongolia Water Resources Bulletin, and the Yellow River Water Resources Bulletin. Η γεωργική χρήση νερού αναφέρεται στην ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται για την άρδευση γεωργικών αγρών, οπωρώνων και βοσκοτόπια (εκτός των υδάτων κτηνοτροφίας και ιχθυοκαλλιέργειας) ως ποσοστό του πρωτογενούς τομέα. Η αγροτική οικονομική ανάπτυξη εκφράζεται σε όρους της ακαθάριστης γεωργικής παραγωγής, με κύριες καλλιέργειες το σιτάρι, το καλαμπόκι, τα φασόλια, τις πατάτες και τους ελαιούχους σπόρους. Η συνολική αποτελεσματική έκταση άρδευσης αναφέρεται στην καλλιεργούμενη έκταση με συγκεκριμένη πηγή νερού, σχετικά επίπεδη γη και αρδευτικά έργα σε ένα συνηθισμένο έτος. Η ανάπτυξη της αγροτικής οικονομίας είναι η διαφορά μεταξύ του τελικού αγροτικού ακαθάριστου εθνικού προϊόν (ΑΕΠ) και το βασικό γεωργικό ΑΕΠ, το οποίο είναι ένας δυναμικός δείκτης που αντικατοπτρίζει την αλλαγή στο επίπεδο ανάπτυξης της αγροτικής οικονομίας σε μια ορισμένη περίοδο.

''' 2.3. Μέθοδοι '''

''' 2.3.1. Ίδρυση Μοντέλου PVAR '''

Εξετάσαμε εάν υπάρχει αιτιώδης σχέση μεταξύ της γεωργικής χρήσης νερού και της αγροτικής
οικονομίας, κατά την περίοδο 1998–2018 στο PVAR μοντέλο. Χρησιμοποιώντας τη δοκιμή μοναδιαίας ρίζας, τη δοκιμή συνολοκλήρωσης και τη δοκιμή αιτιότητας Granger, ερευνήσαμε, αντίστοιχα, τη σταθερότητα, τις μακροπρόθεσμες ισορροπίες και την αμοιβαία αιτιότητα από τις δύο αυτές κύριες μεταβλητές. Οι παράμετροι PVAR, εκτιμήθηκαν χρησιμοποιώντας τη γενικευμένη μέθοδο ροπών (GMM) για την εξαγωγή ποσοτικών σχέσεων μεταξύ των μεταβλητών. Το μοντέλο PVAR που προέκυψε ήταν ως εξής:

<center>''' ys,t = a0 + ∑ k j=1 ajyi,t−j + ηi + ei,t ''' </center>

όπου ys,t περιλαμβάνει δύο μεταβλητές, οι οποίες είναι η συνολική γεωργική χρήση νερού και η αγροτική οικονομική ανάπτυξη (μετρούμενη από την ακαθάριστη αγροτική παραγωγή).Το i αντιπροσωπεύει κάθε πόλη της Εσωτερικής Μογγολίας από την οποία περνά ο Κίτρινος Ποταμός. Το t αντιπροσωπεύει διαφορετικά έτη. Το k είναι το μήκος υστέρησης του μοντέλου. Το ηi είναι ένα περιφερειακό σταθερό αποτέλεσμα που αποτυπώνει την ετερογένεια των δύο κύριων μεταβλητών σε διαφορετικές περιοχές και το ei,t αντιπροσωπεύει τους όρους σφάλματος. Για την εγκυρότητα του μοντέλου, τα δεδομένα του πίνακα εξετάστηκαν πρώτα για σταθερότητα και συνολοκλήρωση.

''' 2.3.2. Δοκιμή Μοναδιαίας Ρίζας '''

Χρησιμοποιήσαμε τη δοκιμή μοναδιαίας ρίζας για να προσδιορίσουμε τη σταθερότητα των κύριων μεταβλητών στην περιοχή μελέτης. Αρχικά, οι μεταβλητές λογαριθμήθηκαν, και συμβολίστηκαν ως lnW και lnG. Εάν τα αποτελέσματα του τεστ απορρίπτουν τη μηδενική υπόθεση, συμπεραίνουμε ότι τα δεδομένα του πίνακα δεν είχαν μοναδιάια ρίζα, υποδεικνύοντας ότι η χρονική σειρά είναι στάσιμη. Εάν δεν μπορούμε να απορρίψουμε τη μηδενική υπόθεση, συμπεραίνουμε ότι τα δεδομένα δεν είναι στάσιμα.

''' 2.3.3. Επιλογή μήκους υστέρησης '''

Για να δημιουργηθεί ένα μοντέλο PVAR με πολλαπλές μεταβλητές, ήταν πρώτα απαραίτητο να προσδιοριστεί το βέλτιστο μήκος υστέρησης k. Ένα k που είναι πολύ μεγάλο ή πολύ μικρό θα μειώσει την παράμετρο του μοντέλου εγκυρότητα εκτίμησης.

''' 2.3.4. Τεστ Συνολοκλήρωσης '''

Χρειάστηκαν δοκιμές συνολοκλήρωσης για τον προσδιορισμό της πιθανής μακροπρόθεσμης ισορροπίας τους. Αξιολογώντας τη στατιστική σημασία των τιμών p που προκύπτουν σε διάφορα επίπεδα σημαντικότητας, βρήκαμε ότι υπήρχε μια μακροπρόθεσμη σχέση ισορροπίας μεταξύ των μεταβλητών.

''' 2.3.5. Γενικευμένη Μέθοδος Ανάλυσης Ροπών (GMM) '''

Υπολογίσαμε τις παραμέτρους του μοντέλου PVAR, χρησιμοποιώντας GMM για την προσαρμογή των μεταβλητών στο μοντέλο αυτοπαλίνδρομης, διότι το μοντέλο PVAR περιελάμβανε και επιδράσεις στον χρόνο και σταθερά αποτελέσματα.

''' 2.3.6. Τεστ αιτιότητας Granger '''

Μετά τον έλεγχο της σταθερότητας και της συνολοκλήρωσης των μεταβλητών, το τελικό βήμα ήταν η χρήση του τεστ αιτιότητας Granger για την αξιολόγηση πιθανών αιτιωδών σχέσεων μεταξύ των μεταβλητών. Η μηδενική υπόθεση από το τεστ αιτιότητας Granger είναι ότι δεν υπάρχει αιτιώδης σχέση μεταξύ των μεταβλητών. Αφού η μηδενική υπόθεση απορρίφθηκε, προσδιορίσαμε αν η αιτιώδης σχέση ήταν μονόδρομη ή αμφίδρομη χρησιμοποιώντας ένα τεστ t και αξιολογώντας τις τιμές p σε διάφορα επίπεδα σημαντικότητας.

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ '''

''' 3.1. Γεωργική χρήση νερού στο τμήμα της εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού '''

Από το 1998 έως το 2018, ο πολυετής μέσος όρος της συνολικής γεωργικής χρήσης νερού μειώθηκε σημαντικά. Το υψηλότερο σύνολο σημειώθηκε το 2005 και το χαμηλότερο σημειώθηκε το 2012 ενώ μεταξύ 1998 και 2002, παρέμεινε σχετικά σταθερή. Η βροχόπτωση το 2012 ήταν υψηλότερη από τον πολυετή μέσο όρο, οδηγώντας σε ένα έτος με πλεόνασμα νερού, έτσι οι βροχοπτώσεις που καταναλώθηκαν από τις καλλιέργειες ήταν σχετικά υψηλές, με αποτέλεσμα χαμηλότερη γεωργική χρήση νερού για άρδευση. Παράλληλα, στις πέντε πόλεις του τμήματος της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού υπήρχαν σημαντικές διαφορές στο μερίδιο της γεωργικής χρήσης νερού στη συνολική χρήση νερού, όπως το 2018, για παράδειγμα. Η χαμηλότερη απόδοση άρδευσης μπορεί να οφείλεται στο γεγονός ότι μια περιοχή καλλιεργεί κυρίως καλλιέργειες όπως λαχανικά θερμοκηπίου και σταφύλια. Αποδεικνύεται ότι η απόδοση της γεωργικής χρήσης νερού ποικίλλει πολύ στις πόλεις του τμήματος της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού. Για την κάλυψη της ζήτησης νερού που απαιτείται για βιώσιμη οικονομική ανάπτυξη, θα πρέπει να αναπτύξουν τεχνολογίες διαχείρισης γεωργικών υδάτων, μεθόδους άρδευσης και βελτίωση της αποδοτικότητας χρήσης του νερού. Οι αποδόσεις των καλλιεργειών στην περιοχή μελέτης δείχνουν ότι η απόδοση της γεωργικής χρήσης νερού αυξήθηκε σημαντικά από το 1998 έως το 2018, υποδεικνύοντας σημαντικές βελτιώσεις στις μεθόδους και τις τεχνολογίες άρδευσης. Αν και το μέσο σύνολο της γεωργικής χρήσης νερού του τμήματος της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού μειώθηκε σημαντικά κατά την περίοδο της μελέτης, οι αποδόσεις των μεγάλων καλλιεργειών παρουσίασαν σαφείς ανοδικές τάσεις την ίδια περίοδο.

''' 3.2. Ανάπτυξη της Αγροτικής Οικονομίας στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού '''

Από το 1998 έως το 2018, το μέσο συνολικό ΑΕΠ των βιομηχανιών του πρωτογενούς τομέα στη μελέτη περιοχής παρουσίασε στατιστικά σημαντική ανοδική τάση, καθώς και το συνολικό ΑΕΠ των βιομηχανιών του πρωτογενούς τομέα αυξήθηκε. Το ΑΕΠ του πρωτογενούς τομέα σε όλες τις πόλεις σε επίπεδο νομών αρχικά αυξήθηκε, σταθεροποιήθηκε, στη συνέχεια μειώθηκε ελαφρά κατά την περίοδο 2012-2013 και τελικά αυξήθηκε και πάλι μετά το 2016. Η αγροτική οικονομία είναι ένα κρίσιμο μέρος της εθνικής οικονομίας. Ωστόσο, υπήρχαν διαφορές μεταξύ ΑΕΠ του πρωτογενούς τομέα στην περιοχή μελέτης ως ποσοστό του συνολικού ΑΕΠ και του πρωτογενούς τομέα ΑΕΠ σε κάθε πόλη ως ποσοστό του συνολικού ΑΕΠ της πόλης. Παρόλα αυτά, όλα τα ποσοστά του πρωτογενούς τομέα του συνολικού ΑΕΠ μειώθηκαν σημαντικά κατά την περίοδο μελέτης. Αυτές οι οικονομικές αλλαγές αποκαλύπτουν την ταχεία ανάπτυξη των βιομηχανιών του δευτερογενούς και τριτογενούς κλάδου, το οποίο αντιπροσωπεύει ένα πολύ μεγαλύτερο μερίδιο του ΑΕΠ από τον πρωτογενή τομέα. Η οικονομία της περιοχής έχει βελτιστοποιηθεί. Τα επίπεδα εκβιομηχάνισης και ο εκσυγχρονισμός που παρατηρείται σήμερα μοιάζει με εκείνους που παρατηρούνται στις ανεπτυγμένες οικονομίες, χαρακτηρίζεται από μεγάλη εισροή κεφαλαίων και εργατικού δυναμικού στους κλάδους των πληροφοριών και των υπηρεσιών.

''' 3.3. Αιτιότητα μεταξύ Γεωργικής χρήσης νερού και Αγροτικής Οικονομίας '''

Όταν πραγματοποιήθηκε η δοκιμή μοναδιαίας ρίζας στο lnW, τα αποτελέσματα έδειξαν ότι απέρριψαν τη μηδενική υπόθεση. Όταν πραγματοποιήθηκε η δοκιμή μοναδιαίας ρίζας σε lnG, είδαμε ότι το lnG δεν μπορούσε να απορρίψει τη μηδενική υπόθεση, υποδεικνύοντας ότι τα αρχικά δεδομένα της ακαθάριστης γεωργικής παραγωγής είχαν μοναδιαίες ρίζες και οι χρονικές στιγμές ήταν μη στάσιμες. Έπειτα, πραγματοποιήσαμε δοκιμές συνολοκλήρωσης στις δύο μεταβλητές για να καθορίσει εάν υπήρχε μακροπρόθεσμη σχέση ισορροπίας μεταξύ των δύο. Καταλήξαμε, ότι υπήρχε μακροπρόθεσμη ισορροπία μεταξύ της γεωργικής χρήσης νερού και της αγροτικής οικονομίας στην περιοχή μας. Οι τιμές με υστέρηση μιας περιόδου τόσο της γεωργικής χρήσης νερού όσο και της αγροτικής οικονομίας ήταν θετική, υποδεικνύοντας ότι και τα δύο επηρεάστηκαν θετικά από την προηγούμενη περίοδο. Βλέπουμε ότι όχι μόνο η αγροτική οικονομική ανάπτυξη εξαρτιόταν από τη δική της ανάπτυξη αλλά και ότι η γεωργική χρήση νερού συνέβαλε σημαντικά στην αγροτική της οικονομία. Επίσης, βλέπουμε ότι μεγαλύτερη γεωργική παραγωγή οδηγεί σε μεγαλύτερη γεωργική χρήση νερού. Ωστόσο, ο συντελεστής υστέρησης της γεωργικής χρήσης νερού ήταν μεγαλύτερος από τον συντελεστή υστέρησης της αγροτικής οικονομίας. Με άλλα λόγια, η γεωργική χρήση νερού τόνωσε την αγροτική οικονομία περισσότερο. Το μοντέλο PVAR μπορεί να αντικατοπτρίσει μόνο την δυναμική μεταξύ μεταβλητών σε μακροοικονομικό επίπεδο. Το τεστ αιτιότητας Granger μεταξύ της αγροτικής οικονομίας και της γεωργικής χρήσης νερού αποκάλυψε ότι η γεωργική χρήση νερού προκάλεσε αύξηση της αγροτικής οικονομίας. Αυτό το αποτέλεσμα δείχνει ότι η αύξηση της γεωργικής χρήσης νερού οδηγεί στην ανάπτυξη της αγροτικής οικονομίας και δεύτερον ότι η ανάπτυξη της αγροτικής οικονομίας βελτιώνει σημαντικά την απόδοση της γεωργικής χρήσης νερού. Αυτό μπορεί να οφείλετε στην τεχνολογική ανάπτυξη, που θα μπορούσε να μειώσει τη ζήτηση για υδατικούς πόρους.

''' 4. ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η γεωργική χρήση νερού παρουσίασε σημαντική πτωτική τάση κατά τη διάρκεια 1998–2018, κυρίως λόγω της συνεχούς βελτίωσης της αποδοτικότητας της γεωργικής χρήσης νερού. Το ΑΕΠ της πρωτογενούς βιομηχανίας παρουσίασε σημαντική αυξητική τάση από το 1998 έως το 2018. Το ΑΕΠ της πρωτογενής βιομηχανίας κάθε πόλης παρουσίασε επίσης σημαντική αυξητική τάση. Ωστόσο, η αναλογία του ΑΕΠ της πρωτογενούς βιομηχανίας στην συνολική αξία παραγωγής παρουσιάζει μια φθίνουσα τάση. Η Κίνα υιοθετώντας το 10ο Πενταετές Σχέδιο για την Εθνική Οικονομική και Κοινωνική Ανάπτυξη, οι οικονομίες των πόλεων σε επίπεδο νομών αναπτύχθηκαν γρήγορα, και η αναλογία του ΑΕΠ του πρωτογενούς τομέα στο συνολικό ΑΕΠ μειώθηκε. Αυτή η μείωση στο ποσοστό του συνολικού ΑΕΠ επιβραδύνθηκε και τελικά σταθεροποιήθηκε. Ωστόσο, επειδή ο ρυθμός ανάπτυξης του πρωτογενούς τομέα ήταν μικρότερος από αυτόν του δευτερογενούς και τριτογενούς τομέα, η αναλογία των πρωτογενών βιομηχανιών στην συνολική οικονομία μειώθηκε σταδιακά. Διαπιστώσαμε ότι στην γεωργική χρήση νερού και στην αγροτική οικονομία σε αυτήν την περιοχή κατά τη περίοδο μελέτης υπάρχει μια μακροπρόθεσμη σχέση ισορροπίας μεταξυ τους. Επιπλέον, η εξάρτηση της αγροτικής οικονομίας από την γεωργική χρήση νερού είναι μεγαλύτερη από εκείνη της γεωργικής χρήσης νερού για την αγροτική οικονομία. Λαμβάνοντας υπόψη τα χαρακτηριστικά των ελλείψεων υδατικών πόρων στην περιοχή μελέτης, τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης συνάδουν με τη λειψυδρία και την αγροτική ανάπτυξη της περιοχής, καθώς η οικονομική ανάπτυξη εξαρτάται περισσότερο από τους υδάτινους πόρους σε περιοχές με σχετική λειψυδρία. Μεταξύ της αγροτικής οικονομίας και της γεωργικής χρήσης νερού είδαμε ότι η γεωργική χρήση νερού προκαλεί αύξηση στη αγροτική οικονομία. Συγκεκριμένα, εκτός από την γεωργική χρήση νερού, η αγροτική οικονομία επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες, όπως από μεθόδους άρδευσης και τη δομή της καλλιέργειας. Σύμφωνα με την αρχή του οριακού αποτελέσματος, η οριακή επίδραση της γεωργικής χρήσης νερού στην αγροτική οικονομική ανάπτυξη θα μειωθεί, γεγονός που μπορεί οδηγήσει σε σπατάλη υδάτινων πόρων. Ως εκ τούτου, θα πρέπει να στοχεύσουμε στη βιώσιμη ανάπτυξη γεωργικών υδάτινων πόρων βελτιώνοντας τις υπάρχουσες τεχνολογίες και βιομηχανικές δομές. Αναλύοντας τα χαρακτηριστικά της χρήσης νερού και της αγροτικής οικονομίας, καθώς και το αποτέλεσμα αλληλεπίδρασης μεταξύ τους, συμπεραίνουμε:
(1) Από το 1998 έως το 2018, η μέση συνολική γεωργική χρήση νερού παρουσίασε σημαντική πτωτική τάση. Ταυτόχρονα, η απόδοση της γεργικής χρήσης νερού αυξήθηκε σημαντικά, και οι αποδόσεις των μεγάλων καλλιεργειών αυξήθηκαν.
(2) Η αγροτική οικονομία της περιοχής αυξήθηκε σημαντικά μεταξύ 1998 και 2018.
(3) Υπάρχει μια σταθερή, μακροπρόθεσμη σχέση συνολοκλήρωσης μεταξύ της γεωργικής χρήσης νερού και της αγροτικής οικονομικής ανάπτυξης, καθώς και αμοιβαία επιρροή. Και οι δύο μεταβλητές επηρεάστηκαν θετικά από την προηγούμενη περίοδο. Περαιτέρω, υπάρχει μονόδρομη αιτιώδης σχέση από την γεωργική χρήση νερού στην αγροτική οικονομική ανάπτυξη.

Σύμφωνα με αυτά τα αποτελέσματα, προτείνουμε ότι η τοπική κυβέρνηση θα πρέπει να αναζητήσει μια πορεία βιώσιμης ανάπτυξης για τους γεωργικούς υδάτινους πόρους με τη βελτίωση του υπάρχοντος επιπέδου γεωργικής τεχνολογίας και τη βελτιστοποίηση της βιομηχανικής δομής για την αύξηση του γεωργικού οικονομικού εισοδήματος.

[[category:Γεωργία]]
[[category:Πρόβλεψη φυτικής απόδοσης]]
[[category:Σχεδιασμός αδρευτικών συστημάτων]]
[[category:Υδατικοί Πόροι]]
[[category:Σχεδιασμός αρδευτικού δικτύου]]

Δυναμική σχέση της γεωργικής χρήσης νερού και της αγροτικής οικονομίας στη λεκάνη απορροής του Κίτρινου Ποταμού της Εσωτερικής Μογγολίας

2024-02-24T07:02:01Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' Dynamic Relationship between Agricultural Water Use and the Agricultural Economy in the Inner Mongolia Section of the Yellow River Basin

'''Συγγραφείς: ''' Zhigang Ye, Ping Miao, Ning Li, Yong Wang, Fanhao Meng, Rong Zhang, Shan Yin

'''Δημοσιεύθηκε: ''' Sustainability 2023, 15, 12979. https://doi.org/10.3390/su151712979

'''Λέξεις κλειδιά: ''' ''Γεωργία, υδατικοί πόροι, πρόβλεψη φυτικής απόδοσης, σχεδιασμός αδρευτικών συστημάτων''

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Μελέτη γεωργικής χρήσης νερού και αγροτικής οικονομίας (1998-2018)'''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_1_1.jpg | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Χάρτης της λεκάνης απορροής Κίτρινου Ποταμού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_2.jpg | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Τάσεις στη συνολική γεωργική χρήση νερού στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού (1998–2018), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' Μέσος όρος γεωργικών υδάτινων πόρων και χρήση ανά περιοχή στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού (2018), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' Τάσεις στις κύριες αποδόσεις των καλλιεργειών στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού (1998–2018), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' Τάσεις στο ΑΕΠ πρωτογενούς τομέα σε κάθε πόλη σε επίπεδο νομού στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού (1998–2018), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' Μερίδιο ΑΕΠ πρωτογενούς τομέα στο συνολικό ΑΕΠ σε κάθε πόλη σε επίπεδο νομού στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού (1998–2018), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Αποτελέσματα δοκιμών μοναδιαίας ρίζας για γεωργική χρήση νερού και αγροτική οικονομία. Τα dlnW και dlnG δείχνουν τις πρώτες διαφορές μεταξύ lnW και lnG. Τα ** και *** υποδεικνύουν ότι τα δεδομένα του πίνακα πέρασαν τη δοκιμή στα επίπεδα σημαντικότητας 5% και 1%, αντίστοιχα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Δοκιμή συνολοκλήρωσης δεδομένων του πίνακα για γεωργική χρήση νερού και αγροτική οικονομία. Τα * και *** υποδεικνύουν ότι τα δεδομένα του πίνακα πέρασαν τη δοκιμή στα επίπεδα 10% και 1%, αντίστοιχα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Γενικευμένη μέθοδος ανάλυσης στιγμών του μοντέλου διανυσματικής αυτοπαλίνδρομης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_1_10.png | thumb| right|'''Εικόνα 10.''' '' Δοκιμή αιτιότητας Granger μεταξύ γεωργικής χρήσης νερού και αγροτικής οικονομίας, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151712979] '' ]]

Η γεωργική χρήση νερού, αποτελεί έναν σημαντικό πόρο για την αγροτική οικονομική ανάπτυξη, η οποία με τη σειρά της επηρεάζει την προσφορά πόρων. Λόγω της λειψυδρίας σε μεγάλες αγροτικές περιοχές της Κίνας απειλείται η επισιτιστική ασφάλεια στην Κίνα αλλά και τις γύρω περιοχές. Μια από τις κύριες περιοχές παραγωγής τροφίμων της Κίνας, η λεκάνη απορροής του Κίτρινου Ποταμού, στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας, η οποία είναι ζωτικής σημασίας για την επισιτιστική ασφάλεια στη βόρεια Κίνα, βρίσκεται σε μια άνυδρη και ημίξηρη περιοχή με λιγότερα από 300 χιλιοστά βροχής. Η αύξηση της βιομηχανικής και αγροτικής ανάπτυξης έχουν οδηγήσει σε μια ανισορροπία μεταξύ της παροχής και ζήτησης νερού. Το 2018, η γεωργική χρήση νερού στην περιοχή αντιστοιχούσε στο 78% της συνολικής κατανάλωσης νερού, ενώ από το 1998 έως το 2018, η ακαθάριστη γεωργική παραγωγή παρουσίασε μέσο ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης 7,3%. Παρόλο που το ποσοστό της αγροτικής οικονομίας στην περιοχή είναι λιγότερο από 20%, ο αγροτικός πληθυσμός αντιπροσωπεύει πάνω από το 60% του συνολικού πληθυσμού. Η γεωργική χρήση νερού αποτελεί το μεγαλύτερο ποσοστό κατανάλωσης νερού, και κατεπέκταση είναι το κλειδί για την αντιμετώπιση της λειψυδρίας. Η σχέση μεταξύ της γεωργικής χρήσης νερού και της αγροτικής οικονομίας είναι ένα βήμα προς την ανάπτυξη αποτελεσματικής πολιτικής υδατικών πόρων για την γεωργία αλλά και την ανάπτυξη της κοινωνικής οικονομίας. Ωστόσο, η σχέση γεωργικής χρήσης νερού-αγροτικής οικονομίας δεν έχει μελετηθεί. Επομένως, χρησιμοποιήσαμε ένα μοντέλο διανυσματικής αυτόματης παλινδρόμησης (PVAR) για να εξερευνήσουμε την αλληλεπίδραση μεταξύ των δύο μεταβλητών. Οι στόχοι αυτής της μελέτης ήταν (1) ο υπολογιστός και η ποσοτικοποίηση των χαρακτηριστικών αλλαγής της γεωργικής χρήσης νερού και της αγροτικής οικονομίας στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας στη λεκάνη απορροής του Κίτρινου Ποταμού και τις πόλεις αυτής της περιοχής και (2) να προσδιοριστεί εάν υπάρχει μια μακροπρόθεσμη σχέση ισορροπίας μεταξύ της γεωργικής χρήσης νερού και αγροτικής οικονομίας, αν υπάρχει αμοιβαία επιρροή, και αν υπάρχει αμφίδρομη σχέση.

''' 2. ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΕΛΕΤΗΣ, ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Επισκόπηση Περιοχής Μελέτης '''

Συνολικά 830 km του Κίτρινου Ποταμού (συνολικό μήκος: 5464 km) ρέει μέσα στο τμήμα του Εσωτερικής Μογγολίας. Το υψόμετρο είναι 799–2343 m, η γεωμορφολογία του είναι πολύπλοκη και το κλίμα είναι ξηρό και ημίξηρο με μέση ετήσια θερμοκρασία 6,63 ◦C. Ως προς τις διοικητικές διαιρέσεις, ο Κίτρινος Ποταμός στην Εσωτερική Μογγολία διέρχεται από έξι πόλεις (Hohhot, Baotou, Wuhai, Ordos, Bayannur και Alashan). Καθώς, ο Κίτρινος Ποταμός διασχίζει μόνο 85 χιλιόμετρα κατά μήκος της ανατολικής άκρης της Alashan, συμβάλλοντας ελάχιστα για τη γεωργική άρδευση, αποκλείσαμε τον Αλασάν από την μελέτη μας. Το τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού λογαριάζει περισσότερο από το 60% του ακαθάριστου εγχώριου προϊόντος (ΑΕΠ) της περιοχής και επομένως, η περιοχή εξαρτάται στη ροή του ποταμού για αγροτική ανάπτυξη. 

''' 2.2. Πηγές Δεδομένων και Προεπεξεργασία '''

Αναλύσαμε δύο μεταβλητές, τη γεωργική χρήση νερού και την αγροτική οικονομία μεταξύ 1998 και 2018. Τα δεδομένα ελήφθησαν από τα Inner Mongolia Statistical Yearbook, Inner Mongolia Water Resources Bulletin, and the Yellow River Water Resources Bulletin. Η γεωργική χρήση νερού αναφέρεται στην ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται για την άρδευση γεωργικών αγρών, οπωρώνων και βοσκοτόπια (εκτός των υδάτων κτηνοτροφίας και ιχθυοκαλλιέργειας) ως ποσοστό του πρωτογενούς τομέα. Η αγροτική οικονομική ανάπτυξη εκφράζεται σε όρους της ακαθάριστης γεωργικής παραγωγής, με κύριες καλλιέργειες το σιτάρι, το καλαμπόκι, τα φασόλια, τις πατάτες και τους ελαιούχους σπόρους. Η συνολική αποτελεσματική έκταση άρδευσης αναφέρεται στην καλλιεργούμενη έκταση με συγκεκριμένη πηγή νερού, σχετικά επίπεδη γη και αρδευτικά έργα σε ένα συνηθισμένο έτος. Η ανάπτυξη της αγροτικής οικονομίας είναι η διαφορά μεταξύ του τελικού αγροτικού ακαθάριστου εθνικού προϊόν (ΑΕΠ) και το βασικό γεωργικό ΑΕΠ, το οποίο είναι ένας δυναμικός δείκτης που αντικατοπτρίζει την αλλαγή στο επίπεδο ανάπτυξης της αγροτικής οικονομίας σε μια ορισμένη περίοδο.

''' 2.3. Μέθοδοι '''

''' 2.3.1. Ίδρυση Μοντέλου PVAR '''

Εξετάσαμε εάν υπάρχει αιτιώδης σχέση μεταξύ της γεωργικής χρήσης νερού και της αγροτικής
οικονομίας, κατά την περίοδο 1998–2018 στο PVAR μοντέλο. Χρησιμοποιώντας τη δοκιμή μοναδιαίας ρίζας, τη δοκιμή συνολοκλήρωσης και τη δοκιμή αιτιότητας Granger, ερευνήσαμε, αντίστοιχα, τη σταθερότητα, τις μακροπρόθεσμες ισορροπίες και την αμοιβαία αιτιότητα από τις δύο αυτές κύριες μεταβλητές. Οι παράμετροι PVAR, εκτιμήθηκαν χρησιμοποιώντας τη γενικευμένη μέθοδο ροπών (GMM) για την εξαγωγή ποσοτικών σχέσεων μεταξύ των μεταβλητών. Το μοντέλο PVAR που προέκυψε ήταν ως εξής:

<center>''' ys,t = a0 + ∑ k j=1 ajyi,t−j + ηi + ei,t ''' </center>

όπου ys,t περιλαμβάνει δύο μεταβλητές, οι οποίες είναι η συνολική γεωργική χρήση νερού και η αγροτική οικονομική ανάπτυξη (μετρούμενη από την ακαθάριστη αγροτική παραγωγή).Το i αντιπροσωπεύει κάθε πόλη της Εσωτερικής Μογγολίας από την οποία περνά ο Κίτρινος Ποταμός. Το t αντιπροσωπεύει διαφορετικά έτη. Το k είναι το μήκος υστέρησης του μοντέλου. Το ηi είναι ένα περιφερειακό σταθερό αποτέλεσμα που αποτυπώνει την ετερογένεια των δύο κύριων μεταβλητών σε διαφορετικές περιοχές και το ei,t αντιπροσωπεύει τους όρους σφάλματος. Για την εγκυρότητα του μοντέλου, τα δεδομένα του πίνακα εξετάστηκαν πρώτα για σταθερότητα και συνολοκλήρωση.

''' 2.3.2. Δοκιμή Μοναδιαίας Ρίζας '''

Χρησιμοποιήσαμε τη δοκιμή μοναδιαίας ρίζας για να προσδιορίσουμε τη σταθερότητα των κύριων μεταβλητών στην περιοχή μελέτης. Αρχικά, οι μεταβλητές λογαριθμήθηκαν, και συμβολίστηκαν ως lnW και lnG. Εάν τα αποτελέσματα του τεστ απορρίπτουν τη μηδενική υπόθεση, συμπεραίνουμε ότι τα δεδομένα του πίνακα δεν είχαν μοναδιάια ρίζα, υποδεικνύοντας ότι η χρονική σειρά είναι στάσιμη. Εάν δεν μπορούμε να απορρίψουμε τη μηδενική υπόθεση, συμπεραίνουμε ότι τα δεδομένα δεν είναι στάσιμα.

''' 2.3.3. Επιλογή μήκους υστέρησης '''

Για να δημιουργηθεί ένα μοντέλο PVAR με πολλαπλές μεταβλητές, ήταν πρώτα απαραίτητο να προσδιοριστεί το βέλτιστο μήκος υστέρησης k. Ένα k που είναι πολύ μεγάλο ή πολύ μικρό θα μειώσει την παράμετρο του μοντέλου εγκυρότητα εκτίμησης.

''' 2.3.4. Τεστ Συνολοκλήρωσης '''

Χρειάστηκαν δοκιμές συνολοκλήρωσης για τον προσδιορισμό της πιθανής μακροπρόθεσμης ισορροπίας τους. Αξιολογώντας τη στατιστική σημασία των τιμών p που προκύπτουν σε διάφορα επίπεδα σημαντικότητας, βρήκαμε ότι υπήρχε μια μακροπρόθεσμη σχέση ισορροπίας μεταξύ των μεταβλητών.

''' 2.3.5. Γενικευμένη Μέθοδος Ανάλυσης Ροπών (GMM) '''

Υπολογίσαμε τις παραμέτρους του μοντέλου PVAR, χρησιμοποιώντας GMM για την προσαρμογή των μεταβλητών στο μοντέλο αυτοπαλίνδρομης, διότι το μοντέλο PVAR περιελάμβανε και επιδράσεις στον χρόνο και σταθερά αποτελέσματα.

''' 2.3.6. Τεστ αιτιότητας Granger '''

Μετά τον έλεγχο της σταθερότητας και της συνολοκλήρωσης των μεταβλητών, το τελικό βήμα ήταν η χρήση του τεστ αιτιότητας Granger για την αξιολόγηση πιθανών αιτιωδών σχέσεων μεταξύ των μεταβλητών. Η μηδενική υπόθεση από το τεστ αιτιότητας Granger είναι ότι δεν υπάρχει αιτιώδης σχέση μεταξύ των μεταβλητών. Αφού η μηδενική υπόθεση απορρίφθηκε, προσδιορίσαμε αν η αιτιώδης σχέση ήταν μονόδρομη ή αμφίδρομη χρησιμοποιώντας ένα τεστ t και αξιολογώντας τις τιμές p σε διάφορα επίπεδα σημαντικότητας.

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ '''

''' 3.1. Γεωργική χρήση νερού στο τμήμα της εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού '''

Από το 1998 έως το 2018, ο πολυετής μέσος όρος της συνολικής γεωργικής χρήσης νερού μειώθηκε σημαντικά. Το υψηλότερο σύνολο σημειώθηκε το 2005 και το χαμηλότερο σημειώθηκε το 2012 ενώ μεταξύ 1998 και 2002, παρέμεινε σχετικά σταθερή. Η βροχόπτωση το 2012 ήταν υψηλότερη από τον πολυετή μέσο όρο, οδηγώντας σε ένα έτος με πλεόνασμα νερού, έτσι οι βροχοπτώσεις που καταναλώθηκαν από τις καλλιέργειες ήταν σχετικά υψηλές, με αποτέλεσμα χαμηλότερη γεωργική χρήση νερού για άρδευση. Παράλληλα, στις πέντε πόλεις του τμήματος της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού υπήρχαν σημαντικές διαφορές στο μερίδιο της γεωργικής χρήσης νερού στη συνολική χρήση νερού, όπως το 2018, για παράδειγμα. Η χαμηλότερη απόδοση άρδευσης μπορεί να οφείλεται στο γεγονός ότι μια περιοχή καλλιεργεί κυρίως καλλιέργειες όπως λαχανικά θερμοκηπίου και σταφύλια. Αποδεικνύεται ότι η απόδοση της γεωργικής χρήσης νερού ποικίλλει πολύ στις πόλεις του τμήματος της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού. Για την κάλυψη της ζήτησης νερού που απαιτείται για βιώσιμη οικονομική ανάπτυξη, θα πρέπει να αναπτύξουν τεχνολογίες διαχείρισης γεωργικών υδάτων, μεθόδους άρδευσης και βελτίωση της αποδοτικότητας χρήσης του νερού. Οι αποδόσεις των καλλιεργειών στην περιοχή μελέτης δείχνουν ότι η απόδοση της γεωργικής χρήσης νερού αυξήθηκε σημαντικά από το 1998 έως το 2018, υποδεικνύοντας σημαντικές βελτιώσεις στις μεθόδους και τις τεχνολογίες άρδευσης. Αν και το μέσο σύνολο της γεωργικής χρήσης νερού του τμήματος της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού μειώθηκε σημαντικά κατά την περίοδο της μελέτης, οι αποδόσεις των μεγάλων καλλιεργειών παρουσίασαν σαφείς ανοδικές τάσεις την ίδια περίοδο.

''' 3.2. Ανάπτυξη της Αγροτικής Οικονομίας στο τμήμα της Εσωτερικής Μογγολίας της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού '''

Από το 1998 έως το 2018, το μέσο συνολικό ΑΕΠ των βιομηχανιών του πρωτογενούς τομέα στη μελέτη περιοχής παρουσίασε στατιστικά σημαντική ανοδική τάση, καθώς και το συνολικό ΑΕΠ των βιομηχανιών του πρωτογενούς τομέα αυξήθηκε. Το ΑΕΠ του πρωτογενούς τομέα σε όλες τις πόλεις σε επίπεδο νομών αρχικά αυξήθηκε, σταθεροποιήθηκε, στη συνέχεια μειώθηκε ελαφρά κατά την περίοδο 2012-2013 και τελικά αυξήθηκε και πάλι μετά το 2016. Η αγροτική οικονομία είναι ένα κρίσιμο μέρος της εθνικής οικονομίας. Ωστόσο, υπήρχαν διαφορές μεταξύ ΑΕΠ του πρωτογενούς τομέα στην περιοχή μελέτης ως ποσοστό του συνολικού ΑΕΠ και του πρωτογενούς τομέα ΑΕΠ σε κάθε πόλη ως ποσοστό του συνολικού ΑΕΠ της πόλης. Παρόλα αυτά, όλα τα ποσοστά του πρωτογενούς τομέα του συνολικού ΑΕΠ μειώθηκαν σημαντικά κατά την περίοδο μελέτης. Αυτές οι οικονομικές αλλαγές αποκαλύπτουν την ταχεία ανάπτυξη των βιομηχανιών του δευτερογενούς και τριτογενούς κλάδου, το οποίο αντιπροσωπεύει ένα πολύ μεγαλύτερο μερίδιο του ΑΕΠ από τον πρωτογενή τομέα. Η οικονομία της περιοχής έχει βελτιστοποιηθεί. Τα επίπεδα εκβιομηχάνισης και ο εκσυγχρονισμός που παρατηρείται σήμερα μοιάζει με εκείνους που παρατηρούνται στις ανεπτυγμένες οικονομίες, χαρακτηρίζεται από μεγάλη εισροή κεφαλαίων και εργατικού δυναμικού στους κλάδους των πληροφοριών και των υπηρεσιών.

''' 3.3. Αιτιότητα μεταξύ Γεωργικής χρήσης νερού και Αγροτικής Οικονομίας '''

Όταν πραγματοποιήθηκε η δοκιμή μοναδιαίας ρίζας στο lnW, τα αποτελέσματα έδειξαν ότι απέρριψαν τη μηδενική υπόθεση. Όταν πραγματοποιήθηκε η δοκιμή μοναδιαίας ρίζας σε lnG, είδαμε ότι το lnG δεν μπορούσε να απορρίψει τη μηδενική υπόθεση, υποδεικνύοντας ότι τα αρχικά δεδομένα της ακαθάριστης γεωργικής παραγωγής είχαν μοναδιαίες ρίζες και οι χρονικές στιγμές ήταν μη στάσιμες. Έπειτα, πραγματοποιήσαμε δοκιμές συνολοκλήρωσης στις δύο μεταβλητές για να καθορίσει εάν υπήρχε μακροπρόθεσμη σχέση ισορροπίας μεταξύ των δύο. Καταλήξαμε, ότι υπήρχε μακροπρόθεσμη ισορροπία μεταξύ της γεωργικής χρήσης νερού και της αγροτικής οικονομίας στην περιοχή μας. Οι τιμές με υστέρηση μιας περιόδου τόσο της γεωργικής χρήσης νερού όσο και της αγροτικής οικονομίας ήταν θετική, υποδεικνύοντας ότι και τα δύο επηρεάστηκαν θετικά από την προηγούμενη περίοδο. Βλέπουμε ότι όχι μόνο η αγροτική οικονομική ανάπτυξη εξαρτιόταν από τη δική της ανάπτυξη αλλά και ότι η γεωργική χρήση νερού συνέβαλε σημαντικά στην αγροτική της οικονομία. Επίσης, βλέπουμε ότι μεγαλύτερη γεωργική παραγωγή οδηγεί σε μεγαλύτερη γεωργική χρήση νερού. Ωστόσο, ο συντελεστής υστέρησης της γεωργικής χρήσης νερού ήταν μεγαλύτερος από τον συντελεστή υστέρησης της αγροτικής οικονομίας. Με άλλα λόγια, η γεωργική χρήση νερού τόνωσε την αγροτική οικονομία περισσότερο. Το μοντέλο PVAR μπορεί να αντικατοπτρίσει μόνο την δυναμική μεταξύ μεταβλητών σε μακροοικονομικό επίπεδο. Το τεστ αιτιότητας Granger μεταξύ της αγροτικής οικονομίας και της γεωργικής χρήσης νερού αποκάλυψε ότι η γεωργική χρήση νερού προκάλεσε αύξηση της αγροτικής οικονομίας. Αυτό το αποτέλεσμα δείχνει ότι η αύξηση της γεωργικής χρήσης νερού οδηγεί στην ανάπτυξη της αγροτικής οικονομίας και δεύτερον ότι η ανάπτυξη της αγροτικής οικονομίας βελτιώνει σημαντικά την απόδοση της γεωργικής χρήσης νερού. Αυτό μπορεί να οφείλετε στην τεχνολογική ανάπτυξη, που θα μπορούσε να μειώσει τη ζήτηση για υδατικούς πόρους.

''' 4. ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η γεωργική χρήση νερού παρουσίασε σημαντική πτωτική τάση κατά τη διάρκεια 1998–2018, κυρίως λόγω της συνεχούς βελτίωσης της αποδοτικότητας της γεωργικής χρήσης νερού. Το ΑΕΠ της πρωτογενούς βιομηχανίας παρουσίασε σημαντική αυξητική τάση από το 1998 έως το 2018. Το ΑΕΠ της πρωτογενής βιομηχανίας κάθε πόλης παρουσίασε επίσης σημαντική αυξητική τάση. Ωστόσο, η αναλογία του ΑΕΠ της πρωτογενούς βιομηχανίας στην συνολική αξία παραγωγής παρουσιάζει μια φθίνουσα τάση. Η Κίνα υιοθετώντας το 10ο Πενταετές Σχέδιο για την Εθνική Οικονομική και Κοινωνική Ανάπτυξη, οι οικονομίες των πόλεων σε επίπεδο νομών αναπτύχθηκαν γρήγορα, και η αναλογία του ΑΕΠ του πρωτογενούς τομέα στο συνολικό ΑΕΠ μειώθηκε. Αυτή η μείωση στο ποσοστό του συνολικού ΑΕΠ επιβραδύνθηκε και τελικά σταθεροποιήθηκε. Ωστόσο, επειδή ο ρυθμός ανάπτυξης του πρωτογενούς τομέα ήταν μικρότερος από αυτόν του δευτερογενούς και τριτογενούς τομέα, η αναλογία των πρωτογενών βιομηχανιών στην συνολική οικονομία μειώθηκε σταδιακά. Διαπιστώσαμε ότι στην γεωργική χρήση νερού και στην αγροτική οικονομία σε αυτήν την περιοχή κατά τη περίοδο μελέτης υπάρχει μια μακροπρόθεσμη σχέση ισορροπίας μεταξυ τους. Επιπλέον, η εξάρτηση της αγροτικής οικονομίας από την γεωργική χρήση νερού είναι μεγαλύτερη από εκείνη της γεωργικής χρήσης νερού για την αγροτική οικονομία. Λαμβάνοντας υπόψη τα χαρακτηριστικά των ελλείψεων υδατικών πόρων στην περιοχή μελέτης, τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης συνάδουν με τη λειψυδρία και την αγροτική ανάπτυξη της περιοχής, καθώς η οικονομική ανάπτυξη εξαρτάται περισσότερο από τους υδάτινους πόρους σε περιοχές με σχετική λειψυδρία. Μεταξύ της αγροτικής οικονομίας και της γεωργικής χρήσης νερού είδαμε ότι η γεωργική χρήση νερού προκαλεί αύξηση στη αγροτική οικονομία. Συγκεκριμένα, εκτός από την γεωργική χρήση νερού, η αγροτική οικονομία επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες, όπως από μεθόδους άρδευσης και τη δομή της καλλιέργειας. Σύμφωνα με την αρχή του οριακού αποτελέσματος, η οριακή επίδραση της γεωργικής χρήσης νερού στην αγροτική οικονομική ανάπτυξη θα μειωθεί, γεγονός που μπορεί οδηγήσει σε σπατάλη υδάτινων πόρων. Ως εκ τούτου, θα πρέπει να στοχεύσουμε στη βιώσιμη ανάπτυξη γεωργικών υδάτινων πόρων βελτιώνοντας τις υπάρχουσες τεχνολογίες και βιομηχανικές δομές. Αναλύοντας τα χαρακτηριστικά της χρήσης νερού και της αγροτικής οικονομίας, καθώς και το αποτέλεσμα αλληλεπίδρασης μεταξύ τους, συμπεραίνουμε:
(1) Από το 1998 έως το 2018, η μέση συνολική γεωργική χρήση νερού παρουσίασε σημαντική πτωτική τάση. Ταυτόχρονα, η απόδοση της γεργικής χρήσης νερού αυξήθηκε σημαντικά, και οι αποδόσεις των μεγάλων καλλιεργειών αυξήθηκαν.
(2) Η αγροτική οικονομία της περιοχής αυξήθηκε σημαντικά μεταξύ 1998 και 2018.
(3) Υπάρχει μια σταθερή, μακροπρόθεσμη σχέση συνολοκλήρωσης μεταξύ της γεωργικής χρήσης νερού και της αγροτικής οικονομικής ανάπτυξης, καθώς και αμοιβαία επιρροή. Και οι δύο μεταβλητές επηρεάστηκαν θετικά από την προηγούμενη περίοδο. Περαιτέρω, υπάρχει μονόδρομη αιτιώδης σχέση από την γεωργική χρήση νερού στην αγροτική οικονομική ανάπτυξη.

Σύμφωνα με αυτά τα αποτελέσματα, προτείνουμε ότι η τοπική κυβέρνηση θα πρέπει να αναζητήσει μια πορεία βιώσιμης ανάπτυξης για τους γεωργικούς υδάτινους πόρους με τη βελτίωση του υπάρχοντος επιπέδου γεωργικής τεχνολογίας και τη βελτιστοποίηση της βιομηχανικής δομής για την αύξηση του γεωργικού οικονομικού εισοδήματος.

[[category:Γεωργία]]
[[category:Πρόβλεψη φυτικής απόδοσης]]
[[category:Σχεδιασμός αδρευτικών συστημάτων]]
[[category:Υδατικοί Πόροι]]

Αξιολόγηση βλάστησης βάσει τηλεπισκόπησης σε τοποθεσίες ορυχείων μετά το κλείσιμό τους στον Καναδά

2024-02-24T06:58:44Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Remote Sensing-Based Revegetation Assessment at Post-Closure Mine Sites in Canada''

'''Συγγραφείς: ''' Sam Gordon, Xiaoyong Xu and Yanyu Wang

'''Δημοσιεύθηκε: ''' ''Sustainability 2023, 15, 11287. https://doi.org/10.3390/su151411287''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Βλάστηση

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Αξιολόγηση βλάστησης σε τοποθεσίες ορυχείων του Καναδά '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_CAN_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Λίστα με επιλεγμένες τοποθεσίες ορυχείων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Η γεωγραφική κατανομή των επιλεγμένων θέσεων ορυχείων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' Το NDVI αλλάζει με το έτος (συμπαγείς γραμμές) για τις τοποθεσίες του ορυχείου μελέτης. Οι γραμμές παύλα υποδηλώνουν τις γραμμές τάσης γραμμικής παλινδρόμησης για τις αλλαγές NDVI, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' Οι κλίσεις γραμμικής παλινδρόμησης (ρυθμοί) για το NDVI αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου στις τοποθεσίες μελέτης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1989 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο ορυχείο Pine Point. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1997 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο Wapisiw Lookout. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1984 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνεσυση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στην τοποθεσία Gateway Hill. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο της τοποθεσίας υπερφόρτωσης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1984 και (b) 2021, καθώς και (c) ο εντοπισμός αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο Highmont. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1992 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο Stanrock TMA. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_10.png | thumb| right|'''Εικόνα 10.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1984 και (b) 2021, καθώς και (c) ο εντοπισμός αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο ορυχείο Clinton Creek. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο της μονάδας απορριμάτων βράχου του Clinton Creek, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_11.png | thumb| right|'''Εικόνα 11.''' '' Σχέδιο διασποράς του έτους κλεισίματος της τοποθεσίας έναντι του έτους 2021 όσον αφορά τις τιμές RI στις έξι τοποθεσίες ορυχείων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

Ο τομέας εξόρυξης διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην οικονομία του Καναδά διότι η βιομηχανία εξόρυξης συνεισέφερε το 5% του ονομαστικού ΑΕΠ του Καναδά το 2019 και επίσης υποστηρίζει τεράστια ποσά τοπικής απασχόλησης, ειδικά για αυτόχθονες πληθυσμούς στον Καναδά. Επιπλέον, η απασχόληση που σχετίζεται με την εξόρυξη μπορεί να μεταφέρει περαιτέρω τα οφέλη από την ανάπτυξη των πόρων στην τοπική οικονομία. Ωστόσο, η εξόρυξη θα μπορούσε να προκαλέσει μια σειρά περιβαλλοντικών ζητημάτων (π.χ. διαταραγμένα εδάφη, μόλυνση εδάφους και υδάτινων πόρων και απώλεια βιοποικιλότητας). Η κάλυψη γης και η αλλαγή χρήσης γης θα επηρεάσουν την απορρόφηση άνθρακα, επιδεινώνοντας την υπερθέρμανση του πλανήτη και τους τοπικούς κλιματικούς κινδύνους. Έτσι, μία από τις πιο σημαντικές πρακτικές για τη βιώσιμη ανάπτυξη των εργασιών εξόρυξης είναι η αποκατάσταση της βλάστησης, του εδάφους, της βιοποικιλότητας και των οικολογικών διεργασιών των διαταραγμένων εδαφών σε περιοχές μετά το κλείσιμο ορυχείων, προσφέροντας φυσικά, χημικά και βιολογικά οφέλη σε ανακτημένες τοποθεσίες ορυχείων, οι οποίες μπορούν να ανακτήσουν την ικανότητά τους να αποθηκεύουν άνθρακα και άζωτο. Στον Καναδά, πολλές από τις τοποθεσίες ορυχείων είχαν συνήθως υποστεί αποκατάσταση μέσω φυσικής διαδοχής μετά από διαταραχή, η οποία είναι γνωστή ως αυθόρμητη αναβλάστηση ή παθητική αποκατάσταση. Άλλη μέθοδος είναι η ενεργή αποκατάσταση κατά την οποία σχεδιάζονται και υλοποιούνται έργα αποκατάστασης γης σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο λειτουργίας του οικοσυστήματος, βελτιώνοντας την ακεραιότητα του περιφερειακού οικοσυστήματος και την κοινωνική-οικολογική ανθεκτικότητα. Μια παθητική ανάκτηση μπορεί να αυξήσει τη βιοποικιλότητα και τις οικολογικές λειτουργίες με σχετικά χαμηλές οικονομικές δαπάνες, αλλά συνήθως οδηγεί σε πιο αργή ανάκτηση και λιγότερο έλεγχο των ιδιοτήτων του οικοσυστήματος, ενώ μια ενεργή ανάκτηση και βλάστηση μπορεί να διευκολύνει και να επιταχύνει την ανάκαμψη του τοπίου και του οικοσυστήματος. Η μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της αλλαγής της κάλυψης γης είναι ένα σημαντικό στοιχείο των πρακτικών βιώσιμης αποκατάστασης που σχετίζονται με διαταραχές από τις εξορυκτικές εργασίες. Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αξιολόγηση της έκτασης της αναβλάστησης του ορυχείου, καθώς, η τηλεπισκόπηση προσφέρει τα πλεονεκτήματά της (π.χ. καλύτερη χωρική κάλυψη, λιγότερα εργατικά και οικονομικά έξοδα) στην παρακολούθηση της αλλαγής της κάλυψης γης. Οι μέθοδοι τηλεπισκόπησης χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο για την ανίχνευση της αποκατάστασης και της αναβλάστησης του ορυχείου στον Καναδά τις τελευταίες δεκαετίες. Χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα πολλαπλών χρονικών πολυφασματικών ή υπερφασματικών εικόνων για την εξαγωγή των δεικτών βλάστησης ή/και των ταξινομημένων τύπων κάλυψης γης, τα οποία στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για την παρακολούθηση της αναβλάστησης του ορυχείου. Επιπλέον, οι τεχνικές τηλεπισκόπησης έχουν εφαρμοστεί για την αξιολόγηση της αποκατάστασης και της αναβλάστησης σε τοποθεσίες ορυχείων σε όλο τον κόσμο, όπως στην Αυστραλία, τη Βραζιλία, την Κίνα, την Ευρώπη και τις ΗΠΑ. Αν και έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στην αξιολόγηση βάσει τηλεπισκόπησης της αναβλάστησης του ορυχείου και της οικολογικής αποκατάστασης στον Καναδά, οι περισσότερες από τις αξιολογήσεις επικεντρώθηκαν μόνο στη συμπεριφορά ανάκτησης και αναβλάστησης σε μία τοποθεσία ορυχείου. Υπάρχει έλλειψη πληροφοριών σχετικά με το πόσο διαφορετικά συμπεριφέρθηκε η ανάκτηση του τοπίου σε διαφορετικές τοποθεσίες, έτσι, η παρούσα μελέτη χρησιμοποιεί τεχνικές τηλεπισκόπησης για να εξετάσει την αλλαγή της κάλυψης της βλάστησης στο χώρο και το χρόνο σε πολλαπλές τοποθεσίες ορυχείων σε ολόκληρο τον Καναδά.

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Τοποθεσίες εξόρυξης '''

Η παρούσα μελέτη συγκρίνει την απόδοση των ανακτημένων τοποθεσιών ορυχείων στον Καναδά, επιλέγοντας τις ακόλουθες τοποθεσίες ορυχείων μετά το κλείσιμο: Pine Point Mine στα βορειοδυτικά εδάφη του Καναδά, Wapisiw Lookout, Gateway Hill, Highmont στη Βρετανική Κολομβία, Stanrock στο Οντάριο και Clinton Creek Mine στο Γιούκον. Το Pine Point Mine ήταν ένα ανοιχτό ορυχείο μολύβδου-ψευδάργυρου με έδρα το Βανκούβερ του Καναδά. Οι εργασίες εξόρυξης ξεκίνησαν το 1964, σταμάτησαν το 1988 και καθ' όλη τη διάρκεια των εργασιών, εξορύχθηκαν περίπου 70 εκατομμύρια τόνοι μεταλλεύματος. Η περιοχή διαχείρησης απορριμάτων ήταν περίπου 700 εκτάρια και περιείχε περίπου 54 εκατομμύρια τόνους απορριμμάτων. Με το κλείσιμο του ορυχείου εφαρμόστηκε σχέδιο εγκατάλειψης και αποκατάστασης, ωστόσο, κυριαρχεί μια παθητική αποκατάσταση στο Pine Point Mine τις τελευταίες δεκαετίες. Τόσο το Wapisiw Lookout όσο και το Gateway Hill βρίσκονται στην άμμο πετρελαίου Athabasca στη βόρεια Αλμπέρτα. Η λίμνη απορριμμάτων Wapisiw Lookout (περίπου 220 εκτάρια) ξεκίνησε τη λειτουργία της το 1967 και παροπλίστηκε το 1997. Οι ενεργές προσπάθειες αποκατάστασης περιελάμβαναν κυρίως μεταφορά των απορριμμάτων από τη λίμνη σε διαφορετική τοποθεσία για επεξεργασία, γεμίζοντας τη λίμνη με καθαρή άμμο καλυμμένη με παχύ στρώμα φυτικού εδάφους και φύτευση καλλιεργειών, χόρτων και δέντρων. Κατά την περίοδο 2009–2010, χρειάστηκαν περίπου 65.000 φορτηγά με υλικά αποκατάστασης, ενώ, το 2010 φυτεύτηκαν πάνω από 620.000 δέντρα, θάμνοι και χόρτα. Η τοποθεσία είναι σε μόνιμη αποκατάσταση από το 2010, ενώ, το Gateway Hill που καλύπτει μια έκταση περίπου 104 εκταρίων, χρησιμοποιήθηκε ως απόθεμα υπερκείμενων υλικών για τις εργασίες εξόρυξης αντί για αποθήκευση απορριμμάτων ή άλλων δυνητικά μολυσμένων υλικών. Η περιοχή σταμάτησε τις εξορυκτικές της δραστηριότητες στις αρχές της δεκαετίας του 1980 και αναβλαστήθηκε με δέντρα και θάμνους. Η τοποθεσία Gateway Hill έλαβε επίσημο πιστοποιητικό ανάκτησης από την κυβέρνηση της Αλμπέρτα το 2008 και πιστοποιήθηκε ως δασώδης λοφώδης έκταση (~104 εκτάρια). Τα οικοσυστήματα περιλαμβάνουν κυρίως δάσος ελάτης, δάσος με πεύκα, λιβάδια και υγρότοπους. Η εγκατάσταση αποθήκευσης απορριμμάτων Highmont ανήκει στο ορυχείο Highland Valley Copper στη νότιο-κεντρική Βρετανική Κολομβία. Το Highland Valley Copper είναι ένα από τα μεγαλύτερα ανοιχτά ορυχεία στον κόσμο χαλκού και μολυβδαινίου και το Highmont (περίπου 220 εκτάρια) χρησιμοποιήθηκε για τη διαχείριση των απορριμμάτων από το 1980 έως το 1984. Η αποκατάσταση αυτού του ορυχείου βασίστηκε σε ένα σχέδιο τελικής χρήσης γης, ενώ, η περιοχή Highmont έχει αναβλαστήσει κυρίως μέσω της εγκατάστασης υδρόβιας βλάστησης και των προσπαθειών αναβλάστησης υγροτόπων. Το Stanrock, που ανήκει στην Denison Mines Limited, βρίσκεται στην περιοχή της λίμνης Elliot, στο Οντάριο και η περιοχή αυτής της λίμνης χρησίμευε ως κύρια βάση για την εξόρυξη ουρανίου. Το Stanrock, που καλύπτει μια έκταση περίπου 52 εκταρίων, χρησιμοποιήθηκε για την εναπόθεση απορριμμάτων μεταξύ των μέσων της δεκαετίας του 1950 έως τις αρχές της δεκαετίας του 1960, αν και ο παροπλισμός του ουρανίου ξεκίνησε λίγο μετά το 1992, όταν ολόκληρη η εγκατάσταση εξόρυξης ουρανίου έπαυσε οριστικά τη λειτουργία της. Η παραγωγή οξέος ήταν μια σημαντική περιβαλλοντική ανησυχία που σχετίζεται με τα απορρίμματα ουρανίου, ωστόσο, δεδομένου ότι η τελευταία εναπόθεση απορριμμάτων στο Stanrock συνέβη στις αρχές της δεκαετίας του 1960, σχεδόν κανένας αντιδραστικός πυρίτης δεν παρέμεινε στο επιφανειακό στρώμα των απορριμμάτων στις αρχές της δεκαετίας του 1990, όταν ξεκίνησε ο παροπλισμός. Χρησιμοποιήθηκε προσέγγιση ξηρού καλύμματος για τον παροπλισμό του Stanrock και από το 1998, όταν ολοκληρώθηκαν οι περισσότερες από τις σημαντικές δραστηριότητες ανάκτησης κεφαλαίων, ο παροπλισμός έχει εισέλθει στη φάση μακροπρόθεσμης παρακολούθησης. Το Clinton Creek Mine ανήκε στην Cassiar Asbestos Corporation και λειτουργούσε ως ορυχείο αμιάντου από το 1968 έως το 1978. Η τοποθεσία του ορυχείου βρίσκεται περίπου 100 χλμ. βορειοδυτικά της Ντόσον Σίτι, Γιούκον. Κατά τη διάρκεια των εργασιών του, το μετάλλευμα αμιάντου εξήχθη από τα ανοιχτά κοιλώματα και μεταφέρθηκε σε μύλο για επεξεργασία, ενώ, η αναβλάστηση βρέθηκε ότι συμβαίνει φυσικά (δηλαδή, παθητική βλάστηση) στις χωματερές άχρηστων πετρωμάτων από το κλείσιμο του ορυχείου το 1978. 

''' 2.2. Δεδομένα εικόνων τηλεπισκόπησης '''

Μέχρι στιγμής, οι δορυφόροι Landsat έχουν παράσχει σχεδόν 50 χρόνια συλλογής δεδομένων εικόνων, γεγονός που καθιστά τις εικόνες Landsat πολύ κατάλληλες για μια μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της αλλαγής της επιφάνειας της γης. Πολυχρονικές εικόνες τηλεπισκόπησης που συλλέχθηκαν από τους δορυφόρους Landsat 5 (1984-1993) και Landsat 8 (1993 έως σήμερα) χρησιμοποιούνται για την ποσοτικοποίηση της αλλαγής της κάλυψης της γης και την έκταση της βλάστησης στις στοχευόμενες τοποθεσίες ορυχείων. Οι εικόνες Landsat 5 και Landsat 8 για κάθε τοποθεσία ορυχείου, λήφθηκαν από τη βάση δεδομένων Earth Explorer του Γεωλογικού Ινστιτούτου των Ηνωμένων Πολιτειών. Τελικά, λήφθηκαν περίπου 25 έως 38 εικόνες Landsat μεταξύ του 1984 (ή του αντίστοιχου έτους κλεισίματος όταν ήταν αργότερα από το 1984) και του 2021 για κάθε τοποθεσία. Πραγματοποιείται μια δέσμη προεπεξεργασίας των ληφθέντων εικόνων Landsat και κατά την προεπεξεργασία, το εργαλείο διαχείρισης σύνθετων ζωνών χρησιμοποιείται για τη δημιουργία των σύνθετων εικόνων, οι οποίες αποκόπτονται στην αντίστοιχη περιοχή ενδιαφέροντος της τοποθεσίας ορυχείου.

''' 2.3. Μέθοδος Ανάλυσης '''

Πραγματοποιείται η ανάλυση Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). Το NDVI είναι ένα ποσοτικό μέτρο της αφθονίας και του σθένους της βλάστησης και υπολογίζεται σε κάθε εικονοστοιχείο εικόνας. 

<center> ''' NDVI=(Bnir - Bred)/(Bnir + Bred), (1) ''' </center>

όπου, το Bnir και το Bred υποδηλώνουν τις τιμές ανάκλασης από τις φασματικές ζώνες κοντά στο υπέρυθρο και το κόκκινο, αντίστοιχα. Το NDVI κυμαίνεται από -1 έως 1. Ένα υψηλότερο NDVI υποδηλώνει περισσότερη ζωντανή πράσινη βλάστηση. Για κάθε τοποθεσία ορυχείου, οι χρονικές διακυμάνσεις των τιμών NDVI κατά μέσο όρο προέρχονται από τις εικόνες Landsat. Στη συνέχεια, εφαρμόζεται μια γραμμική παλινδρόμηση που βασίζεται στη μέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων για να ποσοτικοποιηθεί η τάση αλλαγής της κάλυψης της βλάστησης με την πάροδο του χρόνου.

Για κάθε τοποθεσία, οι εικόνες από τα έτη 1984 (ή το έτος κλεισίματος της τοποθεσίας όταν ήταν μεταγενέστερο του 1984) και το 2021 ταξινομήθηκαν σε διαφορετικές κατηγορίες κάλυψης γης χρησιμοποιώντας τη μέθοδο του τυχαίου δάσους. Δεδομένου ενός έτους ταξινόμησης, οι εικόνες ανάκλασης επιφάνειας Landsat από τον Ιούνιο έως τον Σεπτέμβριο του έτους συντέθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή του χάρτη ταξινόμησης με βάση τη μέθοδο της διάμεσης σύνθεσης. Έξι δείκτες συμπεριλαμβανομένου NDVI, normalized burn ratio (NBR), normalized difference moisture index (NDMI), tasseled cap greenness (TCG), tasseled cap brightness (TCB), and tasseled cap wetness (TCW) προήλθαν από τη σύνθετη εικόνα και στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για την τυχαία ταξινόμηση δασών. Τα δείγματα εκπαίδευσης και τα δείγματα επικύρωσης συλλέχθηκαν για κάθε κατηγορία και ο αριθμός των δέντρων που χρησιμοποιήθηκαν για το μοντέλο τυχαίου δάσους είναι 85. Περαιτέρω, πραγματοποιήθηκε ανίχνευση αλλαγής μετά την ταξινόμηση για την παρακολούθηση της αλλαγής χρήσης γης/κάλυψης. Ο Δείκτης Regrowth (RI) υπολογίζεται σε κάθε τοποθεσία μελέτης και είναι ένα μέτρο της έκτασης της ανάκτησης της βλάστησης που προκύπτει από την αποκατάσταση σε μια διαταραγμένη τοποθεσία σε σχέση με μια μη διαταραγμένη τοποθεσία αναφοράς. Το RI υπολογίζεται ως η διαφορά NDVI μεταξύ μιας διαταραγμένης τοποθεσίας ορυχείου (NDVIdisturbed) και της αντίστοιχης μη διαταραγμένης τοποθεσίας αναφοράς (NDVIreference):

<center> ''' RI = NDVIdisturbed - NDVIreference, (2) ''' </center>

Σε κάθε τοποθεσία μελέτης, η περιοχή χωρίς οπτικά αισθητές ανθρωπογενείς διαταραχές επιλέγεται ως η αντίστοιχη τοποθεσία αναφοράς και η χρήση τους είναι ζωτικής σημασίας για την παρακολούθηση του επιπέδου επιτυχίας της αποκατάστασης. Το RI ελαχιστοποιεί τις επιπτώσεις στην εκτίμηση της τάσης NDVI από περιφερειακούς περιβαλλοντικούς παράγοντες (μεταβολές καιρού/κλίματος, υδρολογία, ηλιακή ακτινοβολία, συνθήκες υγρασίας του εδάφους) καθώς αυτοί οι περιβαλλοντικοί παράγοντες αναμένεται να έχουν πολύ παρόμοιες επιπτώσεις στις διαταραγμένες και μη διαταραγμένες περιοχές. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ '''

''' 3.1. Ανάλυση NDVI '''

Ο δείκτης NDVI ήταν ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος δείκτης τηλεπισκόπησης για την αξιολόγηση της αποκατάστασης της περιοχής ορυχείων. Το αρχικό NDVI (πριν από την εκ νέου βλάστηση) είναι τυπικά χαμηλό και καθώς εμφανίζεται η αναγέννηση της βλάστησης, το NDVI, τείνει να αυξάνεται. Ως εκ τούτου, οι τάσεις NDVI μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μετρηθεί εάν η ανάκτηση είναι επιτυχής στην τοποθεσία. Ο NDVI δεν υπολογίζεται όταν δεν είναι διαθέσιμες οι αντίστοιχες εικόνες Landsat χωρίς σύννεφο. Όλες οι τοποθεσίες ορυχείων εμφανίζουν αυξανόμενες τάσεις NDVI αλλά με διαφορετικούς ρυθμούς μεταβολής. Η τοποθεσία Wapisiw Lookout έκλεισε αργότερα από άλλες τοποθεσίες ορυχείων, αλλά παρουσίασε τη μεγαλύτερη αυξητική τάση στο NDVI. Επίσης, παρόλο που το Wapisiw Lookout έγινε ανενεργό το 1997, οι σημαντικές προσπάθειες ανάκτησης και φύτευσης ξεκίνησαν επίσημα μεταξύ 2009 και 2010. Συνεπώς, από το 2009, ο NDVI της τοποθεσίας αυξήθηκε ραγδαία. Ο NDVI του Stanrock έχει τον δεύτερο υψηλότερο ρυθμό ανάπτυξης με την ταχεία αύξηση του NDVI να ξεκινά το 1998–1999 όταν ολοκληρώθηκαν οι σημαντικές δραστηριότητες ανάκτησης κεφαλαίων στην περιοχή. Το Highmont και το Gateway Hill έκλεισαν στις αρχές της δεκαετίας του 1980, νωρίτερα από άλλες τοποθεσίες. Αν και η τοποθεσία Highmont είχε το χαμηλότερο NDVI πριν από την ανάκτηση, έχει εντοπιστεί μια μονότονη και ουσιαστική αυξητική τάση NDVI για την τοποθεσία, λόγω αποτελεσματικού σχεδίου τελικής χρήσης γης. Αντίθετα, η τοποθεσία Gateway Hill είχε το υψηλότερο NDVI πριν από την επαναβλάστηση σε όλες τις περιοχές μελέτης, διότι χρησιμοποιήθηκε ως απόθεμα υπερκείμενων υλικών για τις εργασίες εξόρυξης και όχι ως αποθήκευση απορριμμάτων. Το NDVI του Gateway Hill παρουσίασε ισχυρή ανοδική τάση μέχρι το 2003 και στη συνέχεια παρέμεινε σχετικά σταθερό. Το Pine Point Mine και οι χωματερές πετρωμάτων του Clinton Creek Mine παρουσίασαν συλλογικά τη μικρότερη αλλαγή στο NDVI με την πάροδο του χρόνου, λόγω της παθητικής επαναβλάστησης. Ωστόσο, η αργή αύξηση του NDVI εξακολουθεί να είναι στατιστικά σημαντική. 

''' 3.2. Ταξινόμηση εικόνας και ανίχνευση αλλαγής μετά την ταξινόμηση '''

Για κάθε τοποθεσία, οι εικόνες από το έτος 1984 (ή το έτος κλεισίματος της τοποθεσίας όταν ήταν αργότερα από το 1984) και το παρόν (έτος 2021) ταξινομούνται σε πέντε κατηγορίες κάλυψης γης: δάσος, θαμνώδεις εκτάσεις, λιβάδια, επιφάνεια νερού και γυμνή γη. Το Pine Point Mine κατά το κλείσιμό του κυριαρχούνταν από γυμνή γη κι ακόμα και σήμερα, εξακολουθεί να υπάρχει έλλειψη σημαντικής βλάστησης με εξαίρεση, μόνο κάποια περιορισμένα κομμάτια, λόγω της παθητικής επαναβλάστησης. Μια οριακή αύξηση στην περιοχή με βλάστηση είναι σύμφωνη με μια μικρή αλλαγή NDVI και οι δυσμενείς περιβαλλοντικοί παράγοντες, όπως η έλλειψη θρεπτικών ουσιών και υγρασίας και οι υψηλές συγκεντρώσεις αλατιού, μολύβδου και ψευδαργύρου εμπόδισαν περαιτέρω τη βλάστηση στην περιοχή. Το Wapisiw Lookout στο κλείσιμό του κυριαρχούνταν από την επιφάνεια του νερού και το γυμνό έδαφος ή βράχο με περιορισμένη κάλυψη βλάστησης, ενώ η βλάστηση κυριαρχεί στη σύγχρονη τοποθεσία. Η αλλαγή της κάλυψης του εδάφους αποκαλύπτει ξεκάθαρα την ουσιαστική έκταση της βλάστησης, η οποία είναι συνεπής με τους φυτεμένους τύπους βλάστησης το 2010. Ένα μεγάλο κομμάτι γυμνής γης ήταν εμφανές για την τοποθεσία Gateway Hill, η οποία έχει μετατραπεί σε μεγάλο βαθμό σε μια περιοχή με βλάστηση (που κυριαρχείται από δάση). Εκτός από τη σημαντική αύξηση της έκτασης με βλάστηση, το νέο οδικό δίκτυο έχει επίσης αναπτυχθεί για το Gateway Hill. Το Highmont κυριαρχούνταν από την επιφάνεια του νερού και το γυμνό έδαφος ή βράχο όταν έκλεισε το 1984, γεγονός που οδήγησε στο σχεδόν μηδενικό NDVI για την τοποθεσία στο κλείσιμο. Τα κύρια τμήματα της λίμνης απορριμμάτων και των γυμνών εκτάσεων έχουν αναβλαστήσει με χόρτα και δέντρα, αν και η κάλυψη βλάστησης εξακολουθεί να απουσιάζει στο κεντρικό τμήμα της αρχικής λίμνης απορριμμάτων. Στο Stanrock, η γυμνή γη κυριαρχούσε το 1992 από τότε που η τελευταία εναπόθεση απορριμμάτων στην τοποθεσία έγινε στις αρχές της δεκαετίας του 1960. Η ανίχνευση αλλαγής μετά την ταξινόμηση δείχνει ότι το Stanrock είχε βιώσει μια σημαντική αναβλάστηση τα τελευταία 30 χρόνια και η γυμνή γη έχει μετατραπεί σε μεγάλο βαθμό σε φυτική κάλυψη μέσω των δραστηριοτήτων αποκατάστασης. Ωστόσο, τα μικρά γυμνά και υδάτινα επιφανειακά θραύσματα εξακολουθούν να υπάρχουν, λόγω της ύπαρξης υποδομής για την επιφανειακή αποστράγγιση από τα απορρίμματα που παράγουν οξύ. Η αναβλάστηση συνέβη φυσικά πάνω από τις χωματερές βράχων του Clinton Creek Mine. Οι χωματερές βράχων κοντά στη νοτιοδυτική όχθη του Clinton Creek Mine είχαν παραμείνει γυμνές μέχρι το 1984 από το κλείσιμό του στα τέλη της δεκαετίας του 1970. Η φυσική αναβλάστηση εμφανίστηκε μόνο σε ένα μικρό τμήμα των χωματερών τις τελευταίες δεκαετίες, ενώ οι περισσότερες από τις πλαγιές των χωματερών εξακολουθούσαν να στερούνται φυτικής κάλυψης μέχρι το 2021.

''' 3.3. Ανάλυση δείκτη Regrowth '''

Η χρήση του RI βοηθάει στην εκτίμηση του επιπέδου επιτυχίας της επαναβλάστησης. Οι τιμές RI από το έτος κλεισίματος της τοποθεσίας και το έτος 2021 υπολογίζονται και συγκρίνονται μεταξύ των έξι τοποθεσιών ορυχείων. Οι τιμές RI από τα αντίστοιχα έτη κλεισίματος των έξι τοποθεσιών ορυχείων είναι όλες κάτω από το μηδέν. Έτσι, το αρνητικό RI δείχνει ότι οι διαταραχές υπήρχαν για κάθε τοποθεσία στο κλείσιμό της. Ένας πιο αρνητικός RI σημαίνει υψηλότερο βαθμό διαταραχής σε σχέση με την αντίστοιχη μη διαταραγμένη θέση αναφοράς. Η διαδικασία επαναβλάστησης, εάν συμβεί, αναμένεται να αμβλύνει τις διαταραχές και επομένως να αυξήσει τις τιμές RI. Οι τιμές RI είναι κοντά ή λίγο πάνω από το μηδέν για τις παρούσες τοποθεσίες Gateway Hill, Wapisiw Lookout και Highmont που σημαίνει ότι οι συνθήκες κάλυψης της βλάστησης των τριών αυτών τοποθεσιών έχουν ήδη αποκατασταθεί σε επίπεδο που είναι πολύ κοντά ή καλύτερο από την αδιατάρακτη κατάσταση προεξόρυξης. Για την ανακτημένη τοποθεσία Stanrock, αν και παρατηρείται επίσης σημαντική αύξηση στο RI, η τελευταία τιμή RI εξακολουθεί να είναι αρνητική. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι η παρούσα RI εξακολουθεί να είναι αρκετά αρνητική στις δύο περιοχές με παθητική αναβλάστηση (Pine Point Mine και Clinton Creek Mine). Μελέτες δείχνουν ότι η αρχική RI (πριν από την επαναβλάστηση) ήταν αρνητική και στη συνέχεια είχε κλίση προς το μηδέν καθώς η σημαντική αναγέννηση της βλάστησης εμφανίστηκε στην διαταραγμένη περιοχή. Οι τάσεις του RI στις τέσσερις τοποθεσίες με ενεργή αναβλάστηση (Gateway Hill, Wapisiw Lookout, Highmont και Stanrock) συμφωνούσαν καλά με την διαπίστωση, η οποία παρείχε στοιχεία για την αποτελεσματικότητα της εκτίμησης RI.

''' 4. ΣΥΖΗΤΗΣΗ '''

Η βιωσιμότητα των εργασιών εξόρυξης διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην επίτευξη των παγκόσμιων στόχων βιώσιμης ανάπτυξης. Για να προωθηθεί η κατανόηση των βιώσιμων πρακτικών που σχετίζονται με την ανάκτηση τοποθεσιών ορυχείων στον Καναδά, αξιολογούμε τις αλλαγές κάλυψης γης στο χώρο και το χρόνο σε πολλαπλές αποκαταστημένες τοποθεσίες ορυχείων σε ολόκληρο τον Καναδά με βάση πολλαπλές χρονικές εικόνες Landsat. Το NDVI είναι ένας κρίσιμος δείκτης τηλεπισκόπησης για την αποτελεσματική παρακολούθηση της συμπεριφοράς της αναβλάστησης του ορυχείου, π.χ. σύμφωνα με την ανάλυση NDVI, μια περιοχή με ενεργή αναβλάστηση είχε τυπικά μια σημαντική αύξηση στην υγιή βλάστηση χάρη στις καλά σχεδιασμένες βιώσιμες πρακτικές, όπως η προσθήκη φυτικού εδάφους και επανασπορά με διάφορα προσαρμοσμένα φυτικά είδη. Αντίθετα, μια αργή ανάκαμψη της υγείας και της αφθονίας της βλάστησης είναι πολύ πιθανό να συμβεί σε μια τοποθεσία μετά το κλείσιμο του ορυχείου χωρίς να υποστούν σημαντικές προσπάθειες ενεργού βλάστησης. Αυτό είναι σύμφωνο με μια ασθενή αυξητική τάση NDVI που ποσοτικοποιήθηκε για το Pine Point Mine, το οποίο δεν υποβλήθηκε σε σημαντικές προσπάθειες ενεργού αναβλάστησης και περιορίστηκε μόνο με ένα λεπτό μείγμα άμμου και χαλικιού για την πρόληψη της σκόνης. Η υψηλή συγκέντρωση μεταλλικών μολυσματικών ουσιών θα μπορούσε να οδηγήσει σε φυτοτοξικότητα, ανεπάρκειες θρεπτικών ουσιών και κακή υφή του εδάφους, τα οποία δεν ευνόησαν την εγκατάσταση βλάστησης. Παρόμοια αποτελέσματα παρατηρήθηκαν για το παθητικά αναζωογονημένο Clinton Greek Mine στο Γιούκον και τις τοποθεσίες ορυχείων μολύβδου και ψευδαργύρου στην Κίνα. Η ανίχνευση αλλαγών που προέρχεται από ταξινόμηση δορυφορικών εικόνων είναι επίσης μια σημαντική μέθοδος για την αξιολόγηση της αναβλάστησης του ορυχείου. Οι προκύπτοντες χάρτες ταξινόμησης και ανίχνευσης αλλαγών τεκμηρίωσαν περαιτέρω την αλλαγή της βλάστησης που προέκυψε από την ανάλυση NDVI. Το Wapisiw Lookout και το Gateway Hill έχουν φτάσει ή πλησιάσει την αντίστοιχη χωρητικότητα επαναβλάστησης, ενώ στα Pine Point Mine, Stanrock και Clinton Creek Mine έχουν απομείνει σημαντικά θραύσματα γυμνής γης ή/και υδάτινης επιφάνειας, γεγονός που δείχνει ότι υπάρχει χώρος για περαιτέρω αποκατάσταση της βλάστησης. Ο δείκτης RI παρέχει ένα ποσοτικό μέτρο του επιπέδου αναβλάστησης κι όσο υψηλότερο RI σημαίνει λιγότερες διαταραχές λόγω καλύτερης ανάκτησης βλάστησης. Η ανάλυση RI επιβεβαιώνει ότι οι βιώσιμες πρακτικές που περιλαμβάνουν ενεργητική βλάστηση μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά την ανάκτηση της υγείας και της αφθονίας της βλάστησης σε διαταραγμένες περιοχές εξόρυξης στον Καναδά, επειδή το RI που προκύπτει από μια ενεργή αναβλάστηση ξεπέρασε σημαντικά το RI που βιώνει μόνο μια παθητική βλάστηση. Η αξιολόγηση και παρακολούθηση της ανάκτησης βάσει τηλεπισκόπησης επηρρεάζεται από ορισμένους περιορισμούς. Ένας περιορισμός είναι ότι η χωρική ανάλυση των εικόνων Landsat κατέστησε δύσκολη τη χαρτογράφηση οποιασδήποτε αλλαγής κάλυψης γης σε μικρότερη κλίμακα (<30 m), γι’ αυτό θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν σε συνδυασμό με την επιτόπια έρευνα για να βελτιωθεί η ακρίβεια της αξιολόγησης. Εναλλακτικά, συνιστώνται εικόνες από δορυφόρους πολύ υψηλής χωρικής ανάλυσης. Ένας άλλος περιορισμός είναι ότι η ανίχνευση εικόνων Landsat υπόκειται σε καιρικές συνθήκες, όπως η κάλυψη σύννεφων, η οποία θα μπορούσε να προκαλέσει ορισμένα κενά για τη μακροπρόθεσμη παρακολούθηση. Στο μέλλον, η τηλεπισκόπηση μικροκυμάτων, η οποία είναι λιγότερο επιρρεπής στην κάλυψη σύννεφων, μπορεί να χρησιμοποιηθεί με τις εικόνες Landsat χωρίς σύννεφα για την παροχή καλύτερης χρονικής κάλυψης. 

''' 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης και οι εικόνες Landsat είναι κατάλληλες για μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της ανάκτησης βλάστησης σε τοποθεσίες μετά το κλείσιμο ορυχείων στον Καναδά. Η ενεργός ανάκτηση και βλάστηση είναι μια κρίσιμης σημασίας βιώσιμη πρακτική για το κλείσιμο ενός ορυχείου, ενώ η παθητική αποκατάσταση από μόνη της τυπικά δεν μπορεί να προσφέρει επαρκή ποσοστά αλλαγής κάλυψης γης και έκταση βλάστησης σε μολυσμένες τοποθεσίες. Η ποσοτικοποιημένη συμπεριφορά ανάκτησης του ορυχείου και οι σχετικές βιώσιμες πρακτικές θα παρέχουν σημαντική καθοδήγηση για τη βιώσιμη διαχείριση πόρων βάσει στοιχείων στον Καναδά και σε όλο τον κόσμο. 

[[category:Δασοπονία, Δασική διαχείριση]]

Αξιολόγηση βλάστησης βάσει τηλεπισκόπησης σε τοποθεσίες ορυχείων μετά το κλείσιμό τους στον Καναδά

2024-02-16T15:41:18Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Remote Sensing-Based Revegetation Assessment at Post-Closure Mine Sites in Canada''

'''Συγγραφείς: ''' Sam Gordon, Xiaoyong Xu and Yanyu Wang

'''Δημοσιεύθηκε: ''' ''Sustainability 2023, 15, 11287. https://doi.org/10.3390/su151411287''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Βλάστηση

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Αξιολόγηση βλάστησης σε τοποθεσίες ορυχείων του Καναδά '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_CAN_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Λίστα με επιλεγμένες τοποθεσίες ορυχείων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Η γεωγραφική κατανομή των επιλεγμένων θέσεων ορυχείων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' Το NDVI αλλάζει με το έτος (συμπαγείς γραμμές) για τις τοποθεσίες του ορυχείου μελέτης. Οι γραμμές παύλα υποδηλώνουν τις γραμμές τάσης γραμμικής παλινδρόμησης για τις αλλαγές NDVI, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' Οι κλίσεις γραμμικής παλινδρόμησης (ρυθμοί) για το NDVI αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου στις τοποθεσίες μελέτης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1989 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο ορυχείο Pine Point. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1997 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο Wapisiw Lookout. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1984 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνεσυση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στην τοποθεσία Gateway Hill. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο της τοποθεσίας υπερφόρτωσης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1984 και (b) 2021, καθώς και (c) ο εντοπισμός αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο Highmont. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1992 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο Stanrock TMA. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_10.png | thumb| right|'''Εικόνα 10.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1984 και (b) 2021, καθώς και (c) ο εντοπισμός αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο ορυχείο Clinton Creek. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο της μονάδας απορριμάτων βράχου του Clinton Creek, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_11.png | thumb| right|'''Εικόνα 11.''' '' Σχέδιο διασποράς του έτους κλεισίματος της τοποθεσίας έναντι του έτους 2021 όσον αφορά τις τιμές RI στις έξι τοποθεσίες ορυχείων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

Ο τομέας εξόρυξης διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην οικονομία του Καναδά διότι η βιομηχανία εξόρυξης συνεισέφερε το 5% του ονομαστικού ΑΕΠ του Καναδά το 2019 και επίσης υποστηρίζει τεράστια ποσά τοπικής απασχόλησης, ειδικά για αυτόχθονες πληθυσμούς στον Καναδά. Επιπλέον, η απασχόληση που σχετίζεται με την εξόρυξη μπορεί να μεταφέρει περαιτέρω τα οφέλη από την ανάπτυξη των πόρων στην τοπική οικονομία. Ωστόσο, η εξόρυξη θα μπορούσε να προκαλέσει μια σειρά περιβαλλοντικών ζητημάτων (π.χ. διαταραγμένα εδάφη, μόλυνση εδάφους και υδάτινων πόρων και απώλεια βιοποικιλότητας). Η κάλυψη γης και η αλλαγή χρήσης γης θα επηρεάσουν την απορρόφηση άνθρακα, επιδεινώνοντας την υπερθέρμανση του πλανήτη και τους τοπικούς κλιματικούς κινδύνους. Έτσι, μία από τις πιο σημαντικές πρακτικές για τη βιώσιμη ανάπτυξη των εργασιών εξόρυξης είναι η αποκατάσταση της βλάστησης, του εδάφους, της βιοποικιλότητας και των οικολογικών διεργασιών των διαταραγμένων εδαφών σε περιοχές μετά το κλείσιμο ορυχείων, προσφέροντας φυσικά, χημικά και βιολογικά οφέλη σε ανακτημένες τοποθεσίες ορυχείων, οι οποίες μπορούν να ανακτήσουν την ικανότητά τους να αποθηκεύουν άνθρακα και άζωτο. Στον Καναδά, πολλές από τις τοποθεσίες ορυχείων είχαν συνήθως υποστεί αποκατάσταση μέσω φυσικής διαδοχής μετά από διαταραχή, η οποία είναι γνωστή ως αυθόρμητη αναβλάστηση ή παθητική αποκατάσταση. Άλλη μέθοδος είναι η ενεργή αποκατάσταση κατά την οποία σχεδιάζονται και υλοποιούνται έργα αποκατάστασης γης σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο λειτουργίας του οικοσυστήματος, βελτιώνοντας την ακεραιότητα του περιφερειακού οικοσυστήματος και την κοινωνική-οικολογική ανθεκτικότητα. Μια παθητική ανάκτηση μπορεί να αυξήσει τη βιοποικιλότητα και τις οικολογικές λειτουργίες με σχετικά χαμηλές οικονομικές δαπάνες, αλλά συνήθως οδηγεί σε πιο αργή ανάκτηση και λιγότερο έλεγχο των ιδιοτήτων του οικοσυστήματος, ενώ μια ενεργή ανάκτηση και βλάστηση μπορεί να διευκολύνει και να επιταχύνει την ανάκαμψη του τοπίου και του οικοσυστήματος. Η μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της αλλαγής της κάλυψης γης είναι ένα σημαντικό στοιχείο των πρακτικών βιώσιμης αποκατάστασης που σχετίζονται με διαταραχές από τις εξορυκτικές εργασίες. Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αξιολόγηση της έκτασης της αναβλάστησης του ορυχείου, καθώς, η τηλεπισκόπηση προσφέρει τα πλεονεκτήματά της (π.χ. καλύτερη χωρική κάλυψη, λιγότερα εργατικά και οικονομικά έξοδα) στην παρακολούθηση της αλλαγής της κάλυψης γης. Οι μέθοδοι τηλεπισκόπησης χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο για την ανίχνευση της αποκατάστασης και της αναβλάστησης του ορυχείου στον Καναδά τις τελευταίες δεκαετίες. Χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα πολλαπλών χρονικών πολυφασματικών ή υπερφασματικών εικόνων για την εξαγωγή των δεικτών βλάστησης ή/και των ταξινομημένων τύπων κάλυψης γης, τα οποία στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για την παρακολούθηση της αναβλάστησης του ορυχείου. Επιπλέον, οι τεχνικές τηλεπισκόπησης έχουν εφαρμοστεί για την αξιολόγηση της αποκατάστασης και της αναβλάστησης σε τοποθεσίες ορυχείων σε όλο τον κόσμο, όπως στην Αυστραλία, τη Βραζιλία, την Κίνα, την Ευρώπη και τις ΗΠΑ. Αν και έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στην αξιολόγηση βάσει τηλεπισκόπησης της αναβλάστησης του ορυχείου και της οικολογικής αποκατάστασης στον Καναδά, οι περισσότερες από τις αξιολογήσεις επικεντρώθηκαν μόνο στη συμπεριφορά ανάκτησης και αναβλάστησης σε μία τοποθεσία ορυχείου. Υπάρχει έλλειψη πληροφοριών σχετικά με το πόσο διαφορετικά συμπεριφέρθηκε η ανάκτηση του τοπίου σε διαφορετικές τοποθεσίες, έτσι, η παρούσα μελέτη χρησιμοποιεί τεχνικές τηλεπισκόπησης για να εξετάσει την αλλαγή της κάλυψης της βλάστησης στο χώρο και το χρόνο σε πολλαπλές τοποθεσίες ορυχείων σε ολόκληρο τον Καναδά.

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Τοποθεσίες εξόρυξης '''

Η παρούσα μελέτη συγκρίνει την απόδοση των ανακτημένων τοποθεσιών ορυχείων στον Καναδά, επιλέγοντας τις ακόλουθες τοποθεσίες ορυχείων μετά το κλείσιμο: Pine Point Mine στα βορειοδυτικά εδάφη του Καναδά, Wapisiw Lookout, Gateway Hill, Highmont στη Βρετανική Κολομβία, Stanrock στο Οντάριο και Clinton Creek Mine στο Γιούκον. Το Pine Point Mine ήταν ένα ανοιχτό ορυχείο μολύβδου-ψευδάργυρου με έδρα το Βανκούβερ του Καναδά. Οι εργασίες εξόρυξης ξεκίνησαν το 1964, σταμάτησαν το 1988 και καθ' όλη τη διάρκεια των εργασιών, εξορύχθηκαν περίπου 70 εκατομμύρια τόνοι μεταλλεύματος. Η περιοχή διαχείρησης απορριμάτων ήταν περίπου 700 εκτάρια και περιείχε περίπου 54 εκατομμύρια τόνους απορριμμάτων. Με το κλείσιμο του ορυχείου εφαρμόστηκε σχέδιο εγκατάλειψης και αποκατάστασης, ωστόσο, κυριαρχεί μια παθητική αποκατάσταση στο Pine Point Mine τις τελευταίες δεκαετίες. Τόσο το Wapisiw Lookout όσο και το Gateway Hill βρίσκονται στην άμμο πετρελαίου Athabasca στη βόρεια Αλμπέρτα. Η λίμνη απορριμμάτων Wapisiw Lookout (περίπου 220 εκτάρια) ξεκίνησε τη λειτουργία της το 1967 και παροπλίστηκε το 1997. Οι ενεργές προσπάθειες αποκατάστασης περιελάμβαναν κυρίως μεταφορά των απορριμμάτων από τη λίμνη σε διαφορετική τοποθεσία για επεξεργασία, γεμίζοντας τη λίμνη με καθαρή άμμο καλυμμένη με παχύ στρώμα φυτικού εδάφους και φύτευση καλλιεργειών, χόρτων και δέντρων. Κατά την περίοδο 2009–2010, χρειάστηκαν περίπου 65.000 φορτηγά με υλικά αποκατάστασης, ενώ, το 2010 φυτεύτηκαν πάνω από 620.000 δέντρα, θάμνοι και χόρτα. Η τοποθεσία είναι σε μόνιμη αποκατάσταση από το 2010, ενώ, το Gateway Hill που καλύπτει μια έκταση περίπου 104 εκταρίων, χρησιμοποιήθηκε ως απόθεμα υπερκείμενων υλικών για τις εργασίες εξόρυξης αντί για αποθήκευση απορριμμάτων ή άλλων δυνητικά μολυσμένων υλικών. Η περιοχή σταμάτησε τις εξορυκτικές της δραστηριότητες στις αρχές της δεκαετίας του 1980 και αναβλαστήθηκε με δέντρα και θάμνους. Η τοποθεσία Gateway Hill έλαβε επίσημο πιστοποιητικό ανάκτησης από την κυβέρνηση της Αλμπέρτα το 2008 και πιστοποιήθηκε ως δασώδης λοφώδης έκταση (~104 εκτάρια). Τα οικοσυστήματα περιλαμβάνουν κυρίως δάσος ελάτης, δάσος με πεύκα, λιβάδια και υγρότοπους. Η εγκατάσταση αποθήκευσης απορριμμάτων Highmont ανήκει στο ορυχείο Highland Valley Copper στη νότιο-κεντρική Βρετανική Κολομβία. Το Highland Valley Copper είναι ένα από τα μεγαλύτερα ανοιχτά ορυχεία στον κόσμο χαλκού και μολυβδαινίου και το Highmont (περίπου 220 εκτάρια) χρησιμοποιήθηκε για τη διαχείριση των απορριμμάτων από το 1980 έως το 1984. Η αποκατάσταση αυτού του ορυχείου βασίστηκε σε ένα σχέδιο τελικής χρήσης γης, ενώ, η περιοχή Highmont έχει αναβλαστήσει κυρίως μέσω της εγκατάστασης υδρόβιας βλάστησης και των προσπαθειών αναβλάστησης υγροτόπων. Το Stanrock, που ανήκει στην Denison Mines Limited, βρίσκεται στην περιοχή της λίμνης Elliot, στο Οντάριο και η περιοχή αυτής της λίμνης χρησίμευε ως κύρια βάση για την εξόρυξη ουρανίου. Το Stanrock, που καλύπτει μια έκταση περίπου 52 εκταρίων, χρησιμοποιήθηκε για την εναπόθεση απορριμμάτων μεταξύ των μέσων της δεκαετίας του 1950 έως τις αρχές της δεκαετίας του 1960, αν και ο παροπλισμός του ουρανίου ξεκίνησε λίγο μετά το 1992, όταν ολόκληρη η εγκατάσταση εξόρυξης ουρανίου έπαυσε οριστικά τη λειτουργία της. Η παραγωγή οξέος ήταν μια σημαντική περιβαλλοντική ανησυχία που σχετίζεται με τα απορρίμματα ουρανίου, ωστόσο, δεδομένου ότι η τελευταία εναπόθεση απορριμμάτων στο Stanrock συνέβη στις αρχές της δεκαετίας του 1960, σχεδόν κανένας αντιδραστικός πυρίτης δεν παρέμεινε στο επιφανειακό στρώμα των απορριμμάτων στις αρχές της δεκαετίας του 1990, όταν ξεκίνησε ο παροπλισμός. Χρησιμοποιήθηκε προσέγγιση ξηρού καλύμματος για τον παροπλισμό του Stanrock και από το 1998, όταν ολοκληρώθηκαν οι περισσότερες από τις σημαντικές δραστηριότητες ανάκτησης κεφαλαίων, ο παροπλισμός έχει εισέλθει στη φάση μακροπρόθεσμης παρακολούθησης. Το Clinton Creek Mine ανήκε στην Cassiar Asbestos Corporation και λειτουργούσε ως ορυχείο αμιάντου από το 1968 έως το 1978. Η τοποθεσία του ορυχείου βρίσκεται περίπου 100 χλμ. βορειοδυτικά της Ντόσον Σίτι, Γιούκον. Κατά τη διάρκεια των εργασιών του, το μετάλλευμα αμιάντου εξήχθη από τα ανοιχτά κοιλώματα και μεταφέρθηκε σε μύλο για επεξεργασία, ενώ, η αναβλάστηση βρέθηκε ότι συμβαίνει φυσικά (δηλαδή, παθητική βλάστηση) στις χωματερές άχρηστων πετρωμάτων από το κλείσιμο του ορυχείου το 1978. 

''' 2.2. Δεδομένα εικόνων τηλεπισκόπησης '''

Μέχρι στιγμής, οι δορυφόροι Landsat έχουν παράσχει σχεδόν 50 χρόνια συλλογής δεδομένων εικόνων, γεγονός που καθιστά τις εικόνες Landsat πολύ κατάλληλες για μια μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της αλλαγής της επιφάνειας της γης. Πολυχρονικές εικόνες τηλεπισκόπησης που συλλέχθηκαν από τους δορυφόρους Landsat 5 (1984-1993) και Landsat 8 (1993 έως σήμερα) χρησιμοποιούνται για την ποσοτικοποίηση της αλλαγής της κάλυψης της γης και την έκταση της βλάστησης στις στοχευόμενες τοποθεσίες ορυχείων. Οι εικόνες Landsat 5 και Landsat 8 για κάθε τοποθεσία ορυχείου, λήφθηκαν από τη βάση δεδομένων Earth Explorer του Γεωλογικού Ινστιτούτου των Ηνωμένων Πολιτειών. Τελικά, λήφθηκαν περίπου 25 έως 38 εικόνες Landsat μεταξύ του 1984 (ή του αντίστοιχου έτους κλεισίματος όταν ήταν αργότερα από το 1984) και του 2021 για κάθε τοποθεσία. Πραγματοποιείται μια δέσμη προεπεξεργασίας των ληφθέντων εικόνων Landsat και κατά την προεπεξεργασία, το εργαλείο διαχείρισης σύνθετων ζωνών χρησιμοποιείται για τη δημιουργία των σύνθετων εικόνων, οι οποίες αποκόπτονται στην αντίστοιχη περιοχή ενδιαφέροντος της τοποθεσίας ορυχείου.

''' 2.3. Μέθοδος Ανάλυσης '''

Πραγματοποιείται η ανάλυση Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). Το NDVI είναι ένα ποσοτικό μέτρο της αφθονίας και του σθένους της βλάστησης και υπολογίζεται σε κάθε εικονοστοιχείο εικόνας. 

<center> ''' NDVI=(Bnir - Bred)/(Bnir + Bred), (1) ''' </center>

όπου, το Bnir και το Bred υποδηλώνουν τις τιμές ανάκλασης από τις φασματικές ζώνες κοντά στο υπέρυθρο και το κόκκινο, αντίστοιχα. Το NDVI κυμαίνεται από -1 έως 1. Ένα υψηλότερο NDVI υποδηλώνει περισσότερη ζωντανή πράσινη βλάστηση. Για κάθε τοποθεσία ορυχείου, οι χρονικές διακυμάνσεις των τιμών NDVI κατά μέσο όρο προέρχονται από τις εικόνες Landsat. Στη συνέχεια, εφαρμόζεται μια γραμμική παλινδρόμηση που βασίζεται στη μέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων για να ποσοτικοποιηθεί η τάση αλλαγής της κάλυψης της βλάστησης με την πάροδο του χρόνου.

Για κάθε τοποθεσία, οι εικόνες από τα έτη 1984 (ή το έτος κλεισίματος της τοποθεσίας όταν ήταν μεταγενέστερο του 1984) και το 2021 ταξινομήθηκαν σε διαφορετικές κατηγορίες κάλυψης γης χρησιμοποιώντας τη μέθοδο του τυχαίου δάσους. Δεδομένου ενός έτους ταξινόμησης, οι εικόνες ανάκλασης επιφάνειας Landsat από τον Ιούνιο έως τον Σεπτέμβριο του έτους συντέθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή του χάρτη ταξινόμησης με βάση τη μέθοδο της διάμεσης σύνθεσης. Έξι δείκτες συμπεριλαμβανομένου NDVI, κανονικοποιημένης αναλογίας καύσης (NBR), κανονικοποιημένης διαφοράς δείκτη υγρασίας (NDMI), πρασινάδας καπακιού (TCG), φωτεινότητας καπακιού φούντας (TCB) και υγρασίας καπακιού φούντας (TCW) προήλθαν από τη σύνθετη εικόνα και στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για την τυχαία ταξινόμηση δασών. Τα δείγματα εκπαίδευσης και τα δείγματα επικύρωσης συλλέχθηκαν για κάθε κατηγορία και ο αριθμός των δέντρων που χρησιμοποιήθηκαν για το μοντέλο τυχαίου δάσους είναι 85. Περαιτέρω, πραγματοποιήθηκε ανίχνευση αλλαγής μετά την ταξινόμηση για την παρακολούθηση της αλλαγής χρήσης γης/κάλυψης. Ο Δείκτης Regrowth (RI) υπολογίζεται σε κάθε τοποθεσία μελέτης και είναι ένα μέτρο της έκτασης της ανάκτησης της βλάστησης που προκύπτει από την αποκατάσταση σε μια διαταραγμένη τοποθεσία σε σχέση με μια μη διαταραγμένη τοποθεσία αναφοράς. Το RI υπολογίζεται ως η διαφορά NDVI μεταξύ μιας διαταραγμένης τοποθεσίας ορυχείου (NDVIdisturbed) και της αντίστοιχης μη διαταραγμένης τοποθεσίας αναφοράς (NDVIreference):

<center> ''' RI = NDVIdisturbed - NDVIreference, (2) ''' </center>

Σε κάθε τοποθεσία μελέτης, η περιοχή χωρίς οπτικά αισθητές ανθρωπογενείς διαταραχές επιλέγεται ως η αντίστοιχη τοποθεσία αναφοράς και η χρήση τους είναι ζωτικής σημασίας για την παρακολούθηση του επιπέδου επιτυχίας της αποκατάστασης. Το RI ελαχιστοποιεί τις επιπτώσεις στην εκτίμηση της τάσης NDVI από περιφερειακούς περιβαλλοντικούς παράγοντες (μεταβολές καιρού/κλίματος, υδρολογία, ηλιακή ακτινοβολία, συνθήκες υγρασίας του εδάφους) καθώς αυτοί οι περιβαλλοντικοί παράγοντες αναμένεται να έχουν πολύ παρόμοιες επιπτώσεις στις διαταραγμένες και μη διαταραγμένες περιοχές. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ '''

''' 3.1. Ανάλυση NDVI '''

Ο δείκτης NDVI ήταν ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος δείκτης τηλεπισκόπησης για την αξιολόγηση της αποκατάστασης της περιοχής ορυχείων. Το αρχικό NDVI (πριν από την εκ νέου βλάστηση) είναι τυπικά χαμηλό και καθώς εμφανίζεται η αναγέννηση της βλάστησης, το NDVI, τείνει να αυξάνεται. Ως εκ τούτου, οι τάσεις NDVI μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μετρηθεί εάν η ανάκτηση είναι επιτυχής στην τοποθεσία. Ο NDVI δεν υπολογίζεται όταν δεν είναι διαθέσιμες οι αντίστοιχες εικόνες Landsat χωρίς σύννεφο. Όλες οι τοποθεσίες ορυχείων εμφανίζουν αυξανόμενες τάσεις NDVI αλλά με διαφορετικούς ρυθμούς μεταβολής. Η τοποθεσία Wapisiw Lookout έκλεισε αργότερα από άλλες τοποθεσίες ορυχείων, αλλά παρουσίασε τη μεγαλύτερη αυξητική τάση στο NDVI. Επίσης, παρόλο που το Wapisiw Lookout έγινε ανενεργό το 1997, οι σημαντικές προσπάθειες ανάκτησης και φύτευσης ξεκίνησαν επίσημα μεταξύ 2009 και 2010. Συνεπώς, από το 2009, ο NDVI της τοποθεσίας αυξήθηκε ραγδαία. Ο NDVI του Stanrock έχει τον δεύτερο υψηλότερο ρυθμό ανάπτυξης με την ταχεία αύξηση του NDVI να ξεκινά το 1998–1999 όταν ολοκληρώθηκαν οι σημαντικές δραστηριότητες ανάκτησης κεφαλαίων στην περιοχή. Το Highmont και το Gateway Hill έκλεισαν στις αρχές της δεκαετίας του 1980, νωρίτερα από άλλες τοποθεσίες. Αν και η τοποθεσία Highmont είχε το χαμηλότερο NDVI πριν από την ανάκτηση, έχει εντοπιστεί μια μονότονη και ουσιαστική αυξητική τάση NDVI για την τοποθεσία, λόγω αποτελεσματικού σχεδίου τελικής χρήσης γης. Αντίθετα, η τοποθεσία Gateway Hill είχε το υψηλότερο NDVI πριν από την επαναβλάστηση σε όλες τις περιοχές μελέτης, διότι χρησιμοποιήθηκε ως απόθεμα υπερκείμενων υλικών για τις εργασίες εξόρυξης και όχι ως αποθήκευση απορριμμάτων. Το NDVI του Gateway Hill παρουσίασε ισχυρή ανοδική τάση μέχρι το 2003 και στη συνέχεια παρέμεινε σχετικά σταθερό. Το Pine Point Mine και οι χωματερές πετρωμάτων του Clinton Creek Mine παρουσίασαν συλλογικά τη μικρότερη αλλαγή στο NDVI με την πάροδο του χρόνου, λόγω της παθητικής επαναβλάστησης. Ωστόσο, η αργή αύξηση του NDVI εξακολουθεί να είναι στατιστικά σημαντική. 

''' 3.2. Ταξινόμηση εικόνας και ανίχνευση αλλαγής μετά την ταξινόμηση '''

Για κάθε τοποθεσία, οι εικόνες από το έτος 1984 (ή το έτος κλεισίματος της τοποθεσίας όταν ήταν αργότερα από το 1984) και το παρόν (έτος 2021) ταξινομούνται σε πέντε κατηγορίες κάλυψης γης: δάσος, θαμνώδεις εκτάσεις, λιβάδια, επιφάνεια νερού και γυμνή γη. Το Pine Point Mine κατά το κλείσιμό του κυριαρχούνταν από γυμνή γη κι ακόμα και σήμερα, εξακολουθεί να υπάρχει έλλειψη σημαντικής βλάστησης με εξαίρεση, μόνο κάποια περιορισμένα κομμάτια, λόγω της παθητικής επαναβλάστησης. Μια οριακή αύξηση στην περιοχή με βλάστηση είναι σύμφωνη με μια μικρή αλλαγή NDVI και οι δυσμενείς περιβαλλοντικοί παράγοντες, όπως η έλλειψη θρεπτικών ουσιών και υγρασίας και οι υψηλές συγκεντρώσεις αλατιού, μολύβδου και ψευδαργύρου εμπόδισαν περαιτέρω τη βλάστηση στην περιοχή. Το Wapisiw Lookout στο κλείσιμό του κυριαρχούνταν από την επιφάνεια του νερού και το γυμνό έδαφος ή βράχο με περιορισμένη κάλυψη βλάστησης, ενώ η βλάστηση κυριαρχεί στη σύγχρονη τοποθεσία. Η αλλαγή της κάλυψης του εδάφους αποκαλύπτει ξεκάθαρα την ουσιαστική έκταση της βλάστησης, η οποία είναι συνεπής με τους φυτεμένους τύπους βλάστησης το 2010. Ένα μεγάλο κομμάτι γυμνής γης ήταν εμφανές για την τοποθεσία Gateway Hill, η οποία έχει μετατραπεί σε μεγάλο βαθμό σε μια περιοχή με βλάστηση (που κυριαρχείται από δάση). Εκτός από τη σημαντική αύξηση της έκτασης με βλάστηση, το νέο οδικό δίκτυο έχει επίσης αναπτυχθεί για το Gateway Hill. Το Highmont κυριαρχούνταν από την επιφάνεια του νερού και το γυμνό έδαφος ή βράχο όταν έκλεισε το 1984, γεγονός που οδήγησε στο σχεδόν μηδενικό NDVI για την τοποθεσία στο κλείσιμο. Τα κύρια τμήματα της λίμνης απορριμμάτων και των γυμνών εκτάσεων έχουν αναβλαστήσει με χόρτα και δέντρα, αν και η κάλυψη βλάστησης εξακολουθεί να απουσιάζει στο κεντρικό τμήμα της αρχικής λίμνης απορριμμάτων. Στο Stanrock, η γυμνή γη κυριαρχούσε το 1992 από τότε που η τελευταία εναπόθεση απορριμμάτων στην τοποθεσία έγινε στις αρχές της δεκαετίας του 1960. Η ανίχνευση αλλαγής μετά την ταξινόμηση δείχνει ότι το Stanrock είχε βιώσει μια σημαντική αναβλάστηση τα τελευταία 30 χρόνια και η γυμνή γη έχει μετατραπεί σε μεγάλο βαθμό σε φυτική κάλυψη μέσω των δραστηριοτήτων αποκατάστασης. Ωστόσο, τα μικρά γυμνά και υδάτινα επιφανειακά θραύσματα εξακολουθούν να υπάρχουν, λόγω της ύπαρξης υποδομής για την επιφανειακή αποστράγγιση από τα απορρίμματα που παράγουν οξύ. Η αναβλάστηση συνέβη φυσικά πάνω από τις χωματερές βράχων του Clinton Creek Mine. Οι χωματερές βράχων κοντά στη νοτιοδυτική όχθη του Clinton Creek Mine είχαν παραμείνει γυμνές μέχρι το 1984 από το κλείσιμό του στα τέλη της δεκαετίας του 1970. Η φυσική αναβλάστηση εμφανίστηκε μόνο σε ένα μικρό τμήμα των χωματερών τις τελευταίες δεκαετίες, ενώ οι περισσότερες από τις πλαγιές των χωματερών εξακολουθούσαν να στερούνται φυτικής κάλυψης μέχρι το 2021.

''' 3.3. Ανάλυση δείκτη Regrowth '''

Η χρήση του RI βοηθάει στην εκτίμηση του επιπέδου επιτυχίας της επαναβλάστησης. Οι τιμές RI από το έτος κλεισίματος της τοποθεσίας και το έτος 2021 υπολογίζονται και συγκρίνονται μεταξύ των έξι τοποθεσιών ορυχείων. Οι τιμές RI από τα αντίστοιχα έτη κλεισίματος των έξι τοποθεσιών ορυχείων είναι όλες κάτω από το μηδέν. Έτσι, το αρνητικό RI δείχνει ότι οι διαταραχές υπήρχαν για κάθε τοποθεσία στο κλείσιμό της. Ένας πιο αρνητικός RI σημαίνει υψηλότερο βαθμό διαταραχής σε σχέση με την αντίστοιχη μη διαταραγμένη θέση αναφοράς. Η διαδικασία επαναβλάστησης, εάν συμβεί, αναμένεται να αμβλύνει τις διαταραχές και επομένως να αυξήσει τις τιμές RI. Οι τιμές RI είναι κοντά ή λίγο πάνω από το μηδέν για τις παρούσες τοποθεσίες Gateway Hill, Wapisiw Lookout και Highmont που σημαίνει ότι οι συνθήκες κάλυψης της βλάστησης των τριών αυτών τοποθεσιών έχουν ήδη αποκατασταθεί σε επίπεδο που είναι πολύ κοντά ή καλύτερο από την αδιατάρακτη κατάσταση προεξόρυξης. Για την ανακτημένη τοποθεσία Stanrock, αν και παρατηρείται επίσης σημαντική αύξηση στο RI, η τελευταία τιμή RI εξακολουθεί να είναι αρνητική. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι η παρούσα RI εξακολουθεί να είναι αρκετά αρνητική στις δύο περιοχές με παθητική αναβλάστηση (Pine Point Mine και Clinton Creek Mine). Μελέτες δείχνουν ότι η αρχική RI (πριν από την επαναβλάστηση) ήταν αρνητική και στη συνέχεια είχε κλίση προς το μηδέν καθώς η σημαντική αναγέννηση της βλάστησης εμφανίστηκε στην διαταραγμένη περιοχή. Οι τάσεις του RI στις τέσσερις τοποθεσίες με ενεργή αναβλάστηση (Gateway Hill, Wapisiw Lookout, Highmont και Stanrock) συμφωνούσαν καλά με την διαπίστωση, η οποία παρείχε στοιχεία για την αποτελεσματικότητα της εκτίμησης RI.

''' 4. ΣΥΖΗΤΗΣΗ '''

Η βιωσιμότητα των εργασιών εξόρυξης διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην επίτευξη των παγκόσμιων στόχων βιώσιμης ανάπτυξης. Για να προωθηθεί η κατανόηση των βιώσιμων πρακτικών που σχετίζονται με την ανάκτηση τοποθεσιών ορυχείων στον Καναδά, αξιολογούμε τις αλλαγές κάλυψης γης στο χώρο και το χρόνο σε πολλαπλές αποκαταστημένες τοποθεσίες ορυχείων σε ολόκληρο τον Καναδά με βάση πολλαπλές χρονικές εικόνες Landsat. Το NDVI είναι ένας κρίσιμος δείκτης τηλεπισκόπησης για την αποτελεσματική παρακολούθηση της συμπεριφοράς της αναβλάστησης του ορυχείου, π.χ. σύμφωνα με την ανάλυση NDVI, μια περιοχή με ενεργή αναβλάστηση είχε τυπικά μια σημαντική αύξηση στην υγιή βλάστηση χάρη στις καλά σχεδιασμένες βιώσιμες πρακτικές, όπως η προσθήκη φυτικού εδάφους και επανασπορά με διάφορα προσαρμοσμένα φυτικά είδη. Αντίθετα, μια αργή ανάκαμψη της υγείας και της αφθονίας της βλάστησης είναι πολύ πιθανό να συμβεί σε μια τοποθεσία μετά το κλείσιμο του ορυχείου χωρίς να υποστούν σημαντικές προσπάθειες ενεργού βλάστησης. Αυτό είναι σύμφωνο με μια ασθενή αυξητική τάση NDVI που ποσοτικοποιήθηκε για το Pine Point Mine, το οποίο δεν υποβλήθηκε σε σημαντικές προσπάθειες ενεργού αναβλάστησης και περιορίστηκε μόνο με ένα λεπτό μείγμα άμμου και χαλικιού για την πρόληψη της σκόνης. Η υψηλή συγκέντρωση μεταλλικών μολυσματικών ουσιών θα μπορούσε να οδηγήσει σε φυτοτοξικότητα, ανεπάρκειες θρεπτικών ουσιών και κακή υφή του εδάφους, τα οποία δεν ευνόησαν την εγκατάσταση βλάστησης. Παρόμοια αποτελέσματα παρατηρήθηκαν για το παθητικά αναζωογονημένο Clinton Greek Mine στο Γιούκον και τις τοποθεσίες ορυχείων μολύβδου και ψευδαργύρου στην Κίνα. Η ανίχνευση αλλαγών που προέρχεται από ταξινόμηση δορυφορικών εικόνων είναι επίσης μια σημαντική μέθοδος για την αξιολόγηση της αναβλάστησης του ορυχείου. Οι προκύπτοντες χάρτες ταξινόμησης και ανίχνευσης αλλαγών τεκμηρίωσαν περαιτέρω την αλλαγή της βλάστησης που προέκυψε από την ανάλυση NDVI. Το Wapisiw Lookout και το Gateway Hill έχουν φτάσει ή πλησιάσει την αντίστοιχη χωρητικότητα επαναβλάστησης, ενώ στα Pine Point Mine, Stanrock και Clinton Creek Mine έχουν απομείνει σημαντικά θραύσματα γυμνής γης ή/και υδάτινης επιφάνειας, γεγονός που δείχνει ότι υπάρχει χώρος για περαιτέρω αποκατάσταση της βλάστησης. Ο δείκτης RI παρέχει ένα ποσοτικό μέτρο του επιπέδου αναβλάστησης κι όσο υψηλότερο RI σημαίνει λιγότερες διαταραχές λόγω καλύτερης ανάκτησης βλάστησης. Η ανάλυση RI επιβεβαιώνει ότι οι βιώσιμες πρακτικές που περιλαμβάνουν ενεργητική βλάστηση μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά την ανάκτηση της υγείας και της αφθονίας της βλάστησης σε διαταραγμένες περιοχές εξόρυξης στον Καναδά, επειδή το RI που προκύπτει από μια ενεργή αναβλάστηση ξεπέρασε σημαντικά το RI που βιώνει μόνο μια παθητική βλάστηση. Η αξιολόγηση και παρακολούθηση της ανάκτησης βάσει τηλεπισκόπησης επηρρεάζεται από ορισμένους περιορισμούς. Ένας περιορισμός είναι ότι η χωρική ανάλυση των εικόνων Landsat κατέστησε δύσκολη τη χαρτογράφηση οποιασδήποτε αλλαγής κάλυψης γης σε μικρότερη κλίμακα (<30 m), γι’ αυτό θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν σε συνδυασμό με την επιτόπια έρευνα για να βελτιωθεί η ακρίβεια της αξιολόγησης. Εναλλακτικά, συνιστώνται εικόνες από δορυφόρους πολύ υψηλής χωρικής ανάλυσης. Ένας άλλος περιορισμός είναι ότι η ανίχνευση εικόνων Landsat υπόκειται σε καιρικές συνθήκες, όπως η κάλυψη σύννεφων, η οποία θα μπορούσε να προκαλέσει ορισμένα κενά για τη μακροπρόθεσμη παρακολούθηση. Στο μέλλον, η τηλεπισκόπηση μικροκυμάτων, η οποία είναι λιγότερο επιρρεπής στην κάλυψη σύννεφων, μπορεί να χρησιμοποιηθεί με τις εικόνες Landsat χωρίς σύννεφα για την παροχή καλύτερης χρονικής κάλυψης. 

''' 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης και οι εικόνες Landsat είναι κατάλληλες για μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της ανάκτησης βλάστησης σε τοποθεσίες μετά το κλείσιμο ορυχείων στον Καναδά. Η ενεργός ανάκτηση και βλάστηση είναι μια κρίσιμης σημασίας βιώσιμη πρακτική για το κλείσιμο ενός ορυχείου, ενώ η παθητική αποκατάσταση από μόνη της τυπικά δεν μπορεί να προσφέρει επαρκή ποσοστά αλλαγής κάλυψης γης και έκταση βλάστησης σε μολυσμένες τοποθεσίες. Η ποσοτικοποιημένη συμπεριφορά ανάκτησης του ορυχείου και οι σχετικές βιώσιμες πρακτικές θα παρέχουν σημαντική καθοδήγηση για τη βιώσιμη διαχείριση πόρων βάσει στοιχείων στον Καναδά και σε όλο τον κόσμο. 

[[category:Δασοπονία, Δασική διαχείριση]]

Αξιολόγηση βλάστησης βάσει τηλεπισκόπησης σε τοποθεσίες ορυχείων μετά το κλείσιμό τους στον Καναδά

2024-02-16T15:34:23Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Remote Sensing-Based Revegetation Assessment at Post-Closure Mine Sites in Canada''

'''Συγγραφείς: ''' Sam Gordon, Xiaoyong Xu and Yanyu Wang

'''Δημοσιεύθηκε: ''' ''Sustainability 2023, 15, 11287. https://doi.org/10.3390/su151411287''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Βλάστηση

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Αξιολόγηση βλάστησης σε τοποθεσίες ορυχείων του Καναδά '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_CAN_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Λίστα με επιλεγμένες τοποθεσίες ορυχείων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Η γεωγραφική κατανομή των επιλεγμένων θέσεων ορυχείων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' Το NDVI αλλάζει με το έτος (συμπαγείς γραμμές) για τις τοποθεσίες του ορυχείου μελέτης. Οι γραμμές παύλα υποδηλώνουν τις γραμμές τάσης γραμμικής παλινδρόμησης για τις αλλαγές NDVI, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' Οι κλίσεις γραμμικής παλινδρόμησης (ρυθμοί) για το NDVI αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου στις τοποθεσίες μελέτης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1989 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο ορυχείο Pine Point. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1997 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο Wapisiw Lookout. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1984 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνεσυση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στην τοποθεσία Gateway Hill. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο της τοποθεσίας υπερφόρτωσης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1984 και (b) 2021, καθώς και (c) ο εντοπισμός αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο Highmont. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1992 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο Stanrock TMA. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_10.png | thumb| right|'''Εικόνα 10.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1984 και (b) 2021, καθώς και (c) ο εντοπισμός αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο ορυχείο Clinton Creek. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο της μονάδας απορριμάτων βράχου του Clinton Creek, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_11.png | thumb| right|'''Εικόνα 11.''' '' Σχέδιο διασποράς του έτους κλεισίματος της τοποθεσίας έναντι του έτους 2021 όσον αφορά τις τιμές RI στις έξι τοποθεσίες ορυχείων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

Ο τομέας εξόρυξης διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην οικονομία του Καναδά διότι η βιομηχανία εξόρυξης συνεισέφερε το 5% του ονομαστικού ΑΕΠ του Καναδά το 2019 και επίσης υποστηρίζει τεράστια ποσά τοπικής απασχόλησης, ειδικά για αυτόχθονες πληθυσμούς στον Καναδά. Επιπλέον, η απασχόληση που σχετίζεται με την εξόρυξη μπορεί να μεταφέρει περαιτέρω τα οφέλη από την ανάπτυξη των πόρων στην τοπική οικονομία. Ωστόσο, η εξόρυξη θα μπορούσε να προκαλέσει μια σειρά περιβαλλοντικών ζητημάτων (π.χ. διαταραγμένα εδάφη, μόλυνση εδάφους και υδάτινων πόρων και απώλεια βιοποικιλότητας). Η κάλυψη γης και η αλλαγή χρήσης γης θα επηρεάσουν την απορρόφηση άνθρακα, επιδεινώνοντας την υπερθέρμανση του πλανήτη και τους τοπικούς κλιματικούς κινδύνους. Έτσι, μία από τις πιο σημαντικές πρακτικές για τη βιώσιμη ανάπτυξη των εργασιών εξόρυξης είναι η αποκατάσταση της βλάστησης, του εδάφους, της βιοποικιλότητας και των οικολογικών διεργασιών των διαταραγμένων εδαφών σε περιοχές μετά το κλείσιμο ορυχείων, προσφέροντας φυσικά, χημικά και βιολογικά οφέλη σε ανακτημένες τοποθεσίες ορυχείων, οι οποίες μπορούν να ανακτήσουν την ικανότητά τους να αποθηκεύουν άνθρακα και άζωτο. Στον Καναδά, πολλές από τις τοποθεσίες ορυχείων είχαν συνήθως υποστεί αποκατάσταση μέσω φυσικής διαδοχής μετά από διαταραχή, η οποία είναι γνωστή ως αυθόρμητη αναβλάστηση ή παθητική αποκατάσταση. Άλλη μέθοδος είναι η ενεργή αποκατάσταση κατά την οποία σχεδιάζονται και υλοποιούνται έργα αποκατάστασης γης σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο λειτουργίας του οικοσυστήματος, βελτιώνοντας την ακεραιότητα του περιφερειακού οικοσυστήματος και την κοινωνική-οικολογική ανθεκτικότητα. Μια παθητική ανάκτηση μπορεί να αυξήσει τη βιοποικιλότητα και τις οικολογικές λειτουργίες με σχετικά χαμηλές οικονομικές δαπάνες, αλλά συνήθως οδηγεί σε πιο αργή ανάκτηση και λιγότερο έλεγχο των ιδιοτήτων του οικοσυστήματος, ενώ μια ενεργή ανάκτηση και βλάστηση μπορεί να διευκολύνει και να επιταχύνει την ανάκαμψη του τοπίου και του οικοσυστήματος. Η μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της αλλαγής της κάλυψης γης είναι ένα σημαντικό στοιχείο των πρακτικών βιώσιμης αποκατάστασης που σχετίζονται με διαταραχές από τις εξορυκτικές εργασίες. Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αξιολόγηση της έκτασης της αναβλάστησης του ορυχείου, καθώς, η τηλεπισκόπηση προσφέρει τα πλεονεκτήματά της (π.χ. καλύτερη χωρική κάλυψη, λιγότερα εργατικά και οικονομικά έξοδα) στην παρακολούθηση της αλλαγής της κάλυψης γης. Οι μέθοδοι τηλεπισκόπησης χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο για την ανίχνευση της αποκατάστασης και της αναβλάστησης του ορυχείου στον Καναδά τις τελευταίες δεκαετίες. Χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα πολλαπλών χρονικών πολυφασματικών ή υπερφασματικών εικόνων για την εξαγωγή των δεικτών βλάστησης ή/και των ταξινομημένων τύπων κάλυψης γης, τα οποία στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για την παρακολούθηση της αναβλάστησης του ορυχείου. Επιπλέον, οι τεχνικές τηλεπισκόπησης έχουν εφαρμοστεί για την αξιολόγηση της αποκατάστασης και της αναβλάστησης σε τοποθεσίες ορυχείων σε όλο τον κόσμο, όπως στην Αυστραλία, τη Βραζιλία, την Κίνα, την Ευρώπη και τις ΗΠΑ. Αν και έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στην αξιολόγηση βάσει τηλεπισκόπησης της αναβλάστησης του ορυχείου και της οικολογικής αποκατάστασης στον Καναδά, οι περισσότερες από τις αξιολογήσεις επικεντρώθηκαν μόνο στη συμπεριφορά ανάκτησης και αναβλάστησης σε μία τοποθεσία ορυχείου. Υπάρχει έλλειψη πληροφοριών σχετικά με το πόσο διαφορετικά συμπεριφέρθηκε η ανάκτηση του τοπίου σε διαφορετικές τοποθεσίες, έτσι, η παρούσα μελέτη χρησιμοποιεί τεχνικές τηλεπισκόπησης για να εξετάσει την αλλαγή της κάλυψης της βλάστησης στο χώρο και το χρόνο σε πολλαπλές τοποθεσίες ορυχείων σε ολόκληρο τον Καναδά.

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Τοποθεσίες εξόρυξης '''

Η παρούσα μελέτη συγκρίνει την απόδοση των ανακτημένων τοποθεσιών ορυχείων στον Καναδά, επιλέγοντας τις ακόλουθες τοποθεσίες ορυχείων μετά το κλείσιμο: Pine Point Mine στα βορειοδυτικά εδάφη του Καναδά, Wapisiw Lookout, Gateway Hill, Highmont στη Βρετανική Κολομβία, Stanrock στο Οντάριο και Clinton Creek Mine στο Γιούκον. Το Pine Point Mine ήταν ένα ανοιχτό ορυχείο μολύβδου-ψευδάργυρου με έδρα το Βανκούβερ του Καναδά. Οι εργασίες εξόρυξης ξεκίνησαν το 1964, σταμάτησαν το 1988 και καθ' όλη τη διάρκεια των εργασιών, εξορύχθηκαν περίπου 70 εκατομμύρια τόνοι μεταλλεύματος. Η περιοχή διαχείρησης απορριμάτων ήταν περίπου 700 εκτάρια και περιείχε περίπου 54 εκατομμύρια τόνους απορριμμάτων. Με το κλείσιμο του ορυχείου εφαρμόστηκε σχέδιο εγκατάλειψης και αποκατάστασης, ωστόσο, κυριαρχεί μια παθητική αποκατάσταση στο Pine Point Mine τις τελευταίες δεκαετίες. Τόσο το Wapisiw Lookout όσο και το Gateway Hill βρίσκονται στην άμμο πετρελαίου Athabasca στη βόρεια Αλμπέρτα. Η λίμνη απορριμμάτων Wapisiw Lookout (περίπου 220 εκτάρια) ξεκίνησε τη λειτουργία της το 1967 και παροπλίστηκε το 1997. Οι ενεργές προσπάθειες αποκατάστασης περιελάμβαναν κυρίως μεταφορά των απορριμμάτων από τη λίμνη σε διαφορετική τοποθεσία για επεξεργασία, γεμίζοντας τη λίμνη με καθαρή άμμο καλυμμένη με παχύ στρώμα φυτικού εδάφους και φύτευση καλλιεργειών, χόρτων και δέντρων. Κατά την περίοδο 2009–2010, χρειάστηκαν περίπου 65.000 φορτηγά με υλικά αποκατάστασης, ενώ, το 2010 φυτεύτηκαν πάνω από 620.000 δέντρα, θάμνοι και χόρτα. Η τοποθεσία είναι σε μόνιμη αποκατάσταση από το 2010, ενώ, το Gateway Hill που καλύπτει μια έκταση περίπου 104 εκταρίων, χρησιμοποιήθηκε ως απόθεμα υπερκείμενων υλικών για τις εργασίες εξόρυξης αντί για αποθήκευση απορριμμάτων ή άλλων δυνητικά μολυσμένων υλικών. Η περιοχή σταμάτησε τις εξορυκτικές της δραστηριότητες στις αρχές της δεκαετίας του 1980 και αναβλαστήθηκε με δέντρα και θάμνους. Η τοποθεσία Gateway Hill έλαβε επίσημο πιστοποιητικό ανάκτησης από την κυβέρνηση της Αλμπέρτα το 2008 και πιστοποιήθηκε ως δασώδης λοφώδης έκταση (~104 εκτάρια). Τα οικοσυστήματα περιλαμβάνουν κυρίως δάσος ελάτης, δάσος με πεύκα, λιβάδια και υγρότοπους. Η εγκατάσταση αποθήκευσης απορριμμάτων Highmont ανήκει στο ορυχείο Highland Valley Copper στη νότιο-κεντρική Βρετανική Κολομβία. Το Highland Valley Copper είναι ένα από τα μεγαλύτερα ανοιχτά ορυχεία στον κόσμο χαλκού και μολυβδαινίου και το Highmont (περίπου 220 εκτάρια) χρησιμοποιήθηκε για τη διαχείριση των απορριμμάτων από το 1980 έως το 1984. Η αποκατάσταση αυτού του ορυχείου βασίστηκε σε ένα σχέδιο τελικής χρήσης γης, ενώ, η περιοχή Highmont έχει αναβλαστήσει κυρίως μέσω της εγκατάστασης υδρόβιας βλάστησης και των προσπαθειών αναβλάστησης υγροτόπων. Το Stanrock, που ανήκει στην Denison Mines Limited, βρίσκεται στην περιοχή της λίμνης Elliot, στο Οντάριο και η περιοχή αυτής της λίμνης χρησίμευε ως κύρια βάση για την εξόρυξη ουρανίου. Το Stanrock, που καλύπτει μια έκταση περίπου 52 εκταρίων, χρησιμοποιήθηκε για την εναπόθεση απορριμμάτων μεταξύ των μέσων της δεκαετίας του 1950 έως τις αρχές της δεκαετίας του 1960, αν και ο παροπλισμός του ουρανίου ξεκίνησε λίγο μετά το 1992, όταν ολόκληρη η εγκατάσταση εξόρυξης ουρανίου έπαυσε οριστικά τη λειτουργία της. Η παραγωγή οξέος ήταν μια σημαντική περιβαλλοντική ανησυχία που σχετίζεται με τα απορρίμματα ουρανίου, ωστόσο, δεδομένου ότι η τελευταία εναπόθεση απορριμμάτων στο Stanrock συνέβη στις αρχές της δεκαετίας του 1960, σχεδόν κανένας αντιδραστικός πυρίτης δεν παρέμεινε στο επιφανειακό στρώμα των απορριμμάτων στις αρχές της δεκαετίας του 1990, όταν ξεκίνησε ο παροπλισμός. Χρησιμοποιήθηκε προσέγγιση ξηρού καλύμματος για τον παροπλισμό του Stanrock και από το 1998, όταν ολοκληρώθηκαν οι περισσότερες από τις σημαντικές δραστηριότητες ανάκτησης κεφαλαίων, ο παροπλισμός έχει εισέλθει στη φάση μακροπρόθεσμης παρακολούθησης. Το Clinton Creek Mine ανήκε στην Cassiar Asbestos Corporation και λειτουργούσε ως ορυχείο αμιάντου από το 1968 έως το 1978. Η τοποθεσία του ορυχείου βρίσκεται περίπου 100 χλμ. βορειοδυτικά της Ντόσον Σίτι, Γιούκον. Κατά τη διάρκεια των εργασιών του, το μετάλλευμα αμιάντου εξήχθη από τα ανοιχτά κοιλώματα και μεταφέρθηκε σε μύλο για επεξεργασία, ενώ, η αναβλάστηση βρέθηκε ότι συμβαίνει φυσικά (δηλαδή, παθητική βλάστηση) στις χωματερές άχρηστων πετρωμάτων από το κλείσιμο του ορυχείου το 1978. 

''' 2.2. Δεδομένα εικόνων τηλεπισκόπησης '''

Μέχρι στιγμής, οι δορυφόροι Landsat έχουν παράσχει σχεδόν 50 χρόνια συλλογής δεδομένων εικόνων, γεγονός που καθιστά τις εικόνες Landsat πολύ κατάλληλες για μια μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της αλλαγής της επιφάνειας της γης. Πολυχρονικές εικόνες τηλεπισκόπησης που συλλέχθηκαν από τους δορυφόρους Landsat 5 (1984-1993) και Landsat 8 (1993 έως σήμερα) χρησιμοποιούνται για την ποσοτικοποίηση της αλλαγής της κάλυψης της γης και την έκταση της βλάστησης στις στοχευόμενες τοποθεσίες ορυχείων. Οι εικόνες Landsat 5 και Landsat 8 για κάθε τοποθεσία ορυχείου, λήφθηκαν από τη βάση δεδομένων Earth Explorer του Γεωλογικού Ινστιτούτου των Ηνωμένων Πολιτειών. Τελικά, λήφθηκαν περίπου 25 έως 38 εικόνες Landsat μεταξύ του 1984 (ή του αντίστοιχου έτους κλεισίματος όταν ήταν αργότερα από το 1984) και του 2021 για κάθε τοποθεσία. Πραγματοποιείται μια δέσμη προεπεξεργασίας των ληφθέντων εικόνων Landsat και κατά την προεπεξεργασία, το εργαλείο διαχείρισης σύνθετων ζωνών χρησιμοποιείται για τη δημιουργία των σύνθετων εικόνων, οι οποίες αποκόπτονται στην αντίστοιχη περιοχή ενδιαφέροντος της τοποθεσίας ορυχείου.

''' 2.3. Μέθοδος Ανάλυσης '''

Πραγματοποιείται η ανάλυση Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). Το NDVI είναι ένα ποσοτικό μέτρο της αφθονίας και του σθένους της βλάστησης και υπολογίζεται σε κάθε εικονοστοιχείο εικόνας. 

<center> ''' NDVI=(Bnir - Bred)/(Bnir + Bred), (1) ''' </center>

όπου, το Bnir και το Bred υποδηλώνουν τις τιμές ανάκλασης από τις φασματικές ζώνες κοντά στο υπέρυθρο και το κόκκινο, αντίστοιχα. Το NDVI κυμαίνεται από -1 έως 1. Ένα υψηλότερο NDVI υποδηλώνει περισσότερη ζωντανή πράσινη βλάστηση. Για κάθε τοποθεσία ορυχείου, οι χρονικές διακυμάνσεις των τιμών NDVI κατά μέσο όρο προέρχονται από τις εικόνες Landsat. Στη συνέχεια, εφαρμόζεται μια γραμμική παλινδρόμηση που βασίζεται στη μέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων για να ποσοτικοποιηθεί η τάση αλλαγής της κάλυψης της βλάστησης με την πάροδο του χρόνου.

Για κάθε τοποθεσία, οι εικόνες από τα έτη 1984 (ή το έτος κλεισίματος της τοποθεσίας όταν ήταν μεταγενέστερο του 1984) και το 2021 ταξινομήθηκαν σε διαφορετικές κατηγορίες κάλυψης γης χρησιμοποιώντας τη μέθοδο του τυχαίου δάσους. Δεδομένου ενός έτους ταξινόμησης, οι εικόνες ανάκλασης επιφάνειας Landsat από τον Ιούνιο έως τον Σεπτέμβριο του έτους συντέθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή του χάρτη ταξινόμησης με βάση τη μέθοδο της διάμεσης σύνθεσης. Έξι δείκτες συμπεριλαμβανομένου NDVI, κανονικοποιημένης αναλογίας καύσης (NBR), κανονικοποιημένης διαφοράς δείκτη υγρασίας (NDMI), πρασινάδας καπακιού (TCG), φωτεινότητας καπακιού φούντας (TCB) και υγρασίας καπακιού φούντας (TCW) προήλθαν από τη σύνθετη εικόνα και στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για την τυχαία ταξινόμηση δασών. Τα δείγματα εκπαίδευσης και τα δείγματα επικύρωσης συλλέχθηκαν για κάθε κατηγορία και ο αριθμός των δέντρων που χρησιμοποιήθηκαν για το μοντέλο τυχαίου δάσους είναι 85. Περαιτέρω, πραγματοποιήθηκε ανίχνευση αλλαγής μετά την ταξινόμηση για την παρακολούθηση της αλλαγής χρήσης γης/κάλυψης. Ο Δείκτης Regrowth (RI) υπολογίζεται σε κάθε τοποθεσία μελέτης και είναι ένα μέτρο της έκτασης της ανάκτησης της βλάστησης που προκύπτει από την αποκατάσταση σε μια διαταραγμένη τοποθεσία σε σχέση με μια μη διαταραγμένη τοποθεσία αναφοράς. Το RI υπολογίζεται ως η διαφορά NDVI μεταξύ μιας διαταραγμένης τοποθεσίας ορυχείου (NDVIdisturbed) και της αντίστοιχης μη διαταραγμένης τοποθεσίας αναφοράς (NDVIreference):

<center> ''' RI = NDVIdisturbed - NDVIreference, (2) ''' </center>

Σε κάθε τοποθεσία μελέτης, η περιοχή χωρίς οπτικά αισθητές ανθρωπογενείς διαταραχές επιλέγεται ως η αντίστοιχη τοποθεσία αναφοράς και η χρήση τους είναι ζωτικής σημασίας για την παρακολούθηση του επιπέδου επιτυχίας της αποκατάστασης. Το RI ελαχιστοποιεί τις επιπτώσεις στην εκτίμηση της τάσης NDVI από περιφερειακούς περιβαλλοντικούς παράγοντες (μεταβολές καιρού/κλίματος, υδρολογία, ηλιακή ακτινοβολία, συνθήκες υγρασίας του εδάφους) καθώς αυτοί οι περιβαλλοντικοί παράγοντες αναμένεται να έχουν πολύ παρόμοιες επιπτώσεις στις διαταραγμένες και μη διαταραγμένες περιοχές. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ '''

''' 3.1. Ανάλυση NDVI '''

Ο δείκτης NDVI ήταν ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος δείκτης τηλεπισκόπησης για την αξιολόγηση της αποκατάστασης της περιοχής ορυχείων. Το αρχικό NDVI (πριν από την εκ νέου βλάστηση) είναι τυπικά χαμηλό και καθώς εμφανίζεται η αναγέννηση της βλάστησης, το NDVI, τείνει να αυξάνεται. Ως εκ τούτου, οι τάσεις NDVI μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μετρηθεί εάν η ανάκτηση είναι επιτυχής στην τοποθεσία. Ο NDVI δεν υπολογίζεται όταν δεν είναι διαθέσιμες οι αντίστοιχες εικόνες Landsat χωρίς σύννεφο. Όλες οι τοποθεσίες ορυχείων εμφανίζουν αυξανόμενες τάσεις NDVI αλλά με διαφορετικούς ρυθμούς μεταβολής. Η τοποθεσία Wapisiw Lookout έκλεισε αργότερα από άλλες τοποθεσίες ορυχείων, αλλά παρουσίασε τη μεγαλύτερη αυξητική τάση στο NDVI. Επίσης, παρόλο που το Wapisiw Lookout έγινε ανενεργό το 1997, οι σημαντικές προσπάθειες ανάκτησης και φύτευσης ξεκίνησαν επίσημα μεταξύ 2009 και 2010. Συνεπώς, από το 2009, ο NDVI της τοποθεσίας αυξήθηκε ραγδαία. Ο NDVI του Stanrock έχει τον δεύτερο υψηλότερο ρυθμό ανάπτυξης με την ταχεία αύξηση του NDVI να ξεκινά το 1998–1999 όταν ολοκληρώθηκαν οι σημαντικές δραστηριότητες ανάκτησης κεφαλαίων στην περιοχή. Το Highmont και το Gateway Hill έκλεισαν στις αρχές της δεκαετίας του 1980, νωρίτερα από άλλες τοποθεσίες. Αν και η τοποθεσία Highmont είχε το χαμηλότερο NDVI πριν από την ανάκτηση, έχει εντοπιστεί μια μονότονη και ουσιαστική αυξητική τάση NDVI για την τοποθεσία, λόγω αποτελεσματικού σχεδίου τελικής χρήσης γης. Αντίθετα, η τοποθεσία Gateway Hill είχε το υψηλότερο NDVI πριν από την επαναβλάστηση σε όλες τις περιοχές μελέτης, διότι χρησιμοποιήθηκε ως απόθεμα υπερκείμενων υλικών για τις εργασίες εξόρυξης και όχι ως αποθήκευση απορριμμάτων. Το NDVI του Gateway Hill παρουσίασε ισχυρή ανοδική τάση μέχρι το 2003 και στη συνέχεια παρέμεινε σχετικά σταθερό. Το Pine Point Mine και οι χωματερές πετρωμάτων του Clinton Creek Mine παρουσίασαν συλλογικά τη μικρότερη αλλαγή στο NDVI με την πάροδο του χρόνου, λόγω της παθητικής επαναβλάστησης. Ωστόσο, η αργή αύξηση του NDVI εξακολουθεί να είναι στατιστικά σημαντική. 

''' 3.2. Ταξινόμηση εικόνας και ανίχνευση αλλαγής μετά την ταξινόμηση '''

Για κάθε τοποθεσία, οι εικόνες από το έτος 1984 (ή το έτος κλεισίματος της τοποθεσίας όταν ήταν αργότερα από το 1984) και το παρόν (έτος 2021) ταξινομούνται σε πέντε κατηγορίες κάλυψης γης: δάσος, θαμνώδεις εκτάσεις, λιβάδια, επιφάνεια νερού και γυμνή γη. Το Pine Point Mine κατά το κλείσιμό του κυριαρχούνταν από γυμνή γη κι ακόμα και σήμερα, εξακολουθεί να υπάρχει έλλειψη σημαντικής βλάστησης με εξαίρεση, μόνο κάποια περιορισμένα κομμάτια, λόγω της παθητικής επαναβλάστησης. Μια οριακή αύξηση στην περιοχή με βλάστηση είναι σύμφωνη με μια μικρή αλλαγή NDVI και οι δυσμενείς περιβαλλοντικοί παράγοντες, όπως η έλλειψη θρεπτικών ουσιών και υγρασίας και οι υψηλές συγκεντρώσεις αλατιού, μολύβδου και ψευδαργύρου εμπόδισαν περαιτέρω τη βλάστηση στην περιοχή. Το Wapisiw Lookout στο κλείσιμό του κυριαρχούνταν από την επιφάνεια του νερού και το γυμνό έδαφος ή βράχο με περιορισμένη κάλυψη βλάστησης, ενώ η βλάστηση κυριαρχεί στη σύγχρονη τοποθεσία. Η αλλαγή της κάλυψης του εδάφους αποκαλύπτει ξεκάθαρα την ουσιαστική έκταση της βλάστησης, η οποία είναι συνεπής με τους φυτεμένους τύπους βλάστησης το 2010. Ένα μεγάλο κομμάτι γυμνής γης ήταν εμφανές για την τοποθεσία Gateway Hill, η οποία έχει μετατραπεί σε μεγάλο βαθμό σε μια περιοχή με βλάστηση (που κυριαρχείται από δάση). Εκτός από τη σημαντική αύξηση της έκτασης με βλάστηση, το νέο οδικό δίκτυο έχει επίσης αναπτυχθεί για το Gateway Hill. Το Highmont κυριαρχούνταν από την επιφάνεια του νερού και το γυμνό έδαφος ή βράχο όταν έκλεισε το 1984, γεγονός που οδήγησε στο σχεδόν μηδενικό NDVI για την τοποθεσία στο κλείσιμο. Τα κύρια τμήματα της λίμνης απορριμμάτων και των γυμνών εκτάσεων έχουν αναβλαστήσει με χόρτα και δέντρα, αν και η κάλυψη βλάστησης εξακολουθεί να απουσιάζει στο κεντρικό τμήμα της αρχικής λίμνης απορριμμάτων. Στο Stanrock, η γυμνή γη κυριαρχούσε το 1992 από τότε που η τελευταία εναπόθεση απορριμμάτων στην τοποθεσία έγινε στις αρχές της δεκαετίας του 1960. Η ανίχνευση αλλαγής μετά την ταξινόμηση δείχνει ότι το Stanrock είχε βιώσει μια σημαντική αναβλάστηση τα τελευταία 30 χρόνια και η γυμνή γη έχει μετατραπεί σε μεγάλο βαθμό σε φυτική κάλυψη μέσω των δραστηριοτήτων αποκατάστασης. Ωστόσο, τα μικρά γυμνά και υδάτινα επιφανειακά θραύσματα εξακολουθούν να υπάρχουν, λόγω της ύπαρξης υποδομής για την επιφανειακή αποστράγγιση από τα απορρίμματα που παράγουν οξύ. Η αναβλάστηση συνέβη φυσικά πάνω από τις χωματερές βράχων του Clinton Creek Mine. Οι χωματερές βράχων κοντά στη νοτιοδυτική όχθη του Clinton Creek Mine είχαν παραμείνει γυμνές μέχρι το 1984 από το κλείσιμό του στα τέλη της δεκαετίας του 1970. Η φυσική αναβλάστηση εμφανίστηκε μόνο σε ένα μικρό τμήμα των χωματερών τις τελευταίες δεκαετίες, ενώ οι περισσότερες από τις πλαγιές των χωματερών εξακολουθούσαν να στερούνται φυτικής κάλυψης μέχρι το 2021.

''' 3.3. Ανάλυση δείκτη Regrowth '''

Η χρήση του RI βοηθάει στην εκτίμηση του επιπέδου επιτυχίας της επαναβλάστησης. Οι τιμές RI από το έτος κλεισίματος της τοποθεσίας και το έτος 2021 υπολογίζονται και συγκρίνονται μεταξύ των έξι τοποθεσιών ορυχείων. Οι τιμές RI από τα αντίστοιχα έτη κλεισίματος των έξι τοποθεσιών ορυχείων είναι όλες κάτω από το μηδέν. Έτσι, το αρνητικό RI δείχνει ότι οι διαταραχές υπήρχαν για κάθε τοποθεσία στο κλείσιμό της. Ένας πιο αρνητικός RI σημαίνει υψηλότερο βαθμό διαταραχής σε σχέση με την αντίστοιχη μη διαταραγμένη θέση αναφοράς. Η διαδικασία επαναβλάστησης, εάν συμβεί, αναμένεται να αμβλύνει τις διαταραχές και επομένως να αυξήσει τις τιμές RI. Οι τιμές RI είναι κοντά ή λίγο πάνω από το μηδέν για τις παρούσες τοποθεσίες Gateway Hill, Wapisiw Lookout και Highmont που σημαίνει ότι οι συνθήκες κάλυψης της βλάστησης των τριών αυτών τοποθεσιών έχουν ήδη αποκατασταθεί σε επίπεδο που είναι πολύ κοντά ή καλύτερο από την αδιατάρακτη κατάσταση προεξόρυξης. Για την ανακτημένη τοποθεσία Stanrock, αν και παρατηρείται επίσης σημαντική αύξηση στο RI, η τελευταία τιμή RI εξακολουθεί να είναι αρνητική. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι η παρούσα RI εξακολουθεί να είναι αρκετά αρνητική στις δύο περιοχές με παθητική αναβλάστηση (Pine Point Mine και Clinton Creek Mine). Μελέτες δείχνουν ότι η αρχική RI (πριν από την επαναβλάστηση) ήταν αρνητική και στη συνέχεια είχε κλίση προς το μηδέν καθώς η σημαντική αναγέννηση της βλάστησης εμφανίστηκε στην διαταραγμένη περιοχή. Οι τάσεις του RI στις τέσσερις τοποθεσίες με ενεργή αναβλάστηση (Gateway Hill, Wapisiw Lookout, Highmont και Stanrock) συμφωνούσαν καλά με την διαπίστωση, η οποία παρείχε στοιχεία για την αποτελεσματικότητα της εκτίμησης RI.

''' 4. ΣΥΖΗΤΗΣΗ '''

Η βιωσιμότητα των εργασιών εξόρυξης διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην επίτευξη των παγκόσμιων στόχων βιώσιμης ανάπτυξης. Για να προωθηθεί η κατανόηση των βιώσιμων πρακτικών που σχετίζονται με την ανάκτηση τοποθεσιών ορυχείων στον Καναδά, αξιολογούμε τις αλλαγές κάλυψης γης στο χώρο και το χρόνο σε πολλαπλές αποκαταστημένες τοποθεσίες ορυχείων σε ολόκληρο τον Καναδά με βάση πολλαπλές χρονικές εικόνες Landsat. Το NDVI είναι ένας κρίσιμος δείκτης τηλεπισκόπησης για την αποτελεσματική παρακολούθηση της συμπεριφοράς της αναβλάστησης του ορυχείου, π.χ. σύμφωνα με την ανάλυση NDVI, μια περιοχή με ενεργή αναβλάστηση είχε τυπικά μια σημαντική αύξηση στην υγιή βλάστηση χάρη στις καλά σχεδιασμένες βιώσιμες πρακτικές, όπως η προσθήκη φυτικού εδάφους και επανασπορά με διάφορα προσαρμοσμένα φυτικά είδη. Αντίθετα, μια αργή ανάκαμψη της υγείας και της αφθονίας της βλάστησης είναι πολύ πιθανό να συμβεί σε μια τοποθεσία μετά το κλείσιμο του ορυχείου χωρίς να υποστούν σημαντικές προσπάθειες ενεργού βλάστησης. Αυτό είναι σύμφωνο με μια ασθενή αυξητική τάση NDVI που ποσοτικοποιήθηκε για το Pine Point, το οποίο δεν υποβλήθηκε σε σημαντικές προσπάθειες ενεργού αναβλάστησης και περιορίστηκε μόνο με ένα λεπτό μείγμα άμμου και χαλικιού για την πρόληψη της σκόνης. Η υψηλή συγκέντρωση μεταλλικών μολυσματικών ουσιών θα μπορούσε να οδηγήσει σε φυτοτοξικότητα, ανεπάρκειες θρεπτικών ουσιών και κακή υφή του εδάφους, τα οποία δεν ευνόησαν την εγκατάσταση βλάστησης. Παρόμοια αποτελέσματα παρατηρήθηκαν για το παθητικά αναζωογονημένο ορυχείο Clinton Greek Mine στο Yukon και τις τοποθεσίες ορυχείων μολύβδου και ψευδαργύρου στην Κίνα. Η ανίχνευση αλλαγών που προέρχεται από ταξινόμηση δορυφορικών εικόνων είναι επίσης μια σημαντική μέθοδος για την αξιολόγηση της αναβλάστησης του ορυχείου. Οι προκύπτοντες χάρτες ταξινόμησης και ανίχνευσης αλλαγών τεκμηρίωσαν περαιτέρω την αλλαγή της βλάστησης που προέκυψε από την ανάλυση NDVI. Το Wapisiw Lookout και το Gateway Hill έχουν φτάσει ή πλησιάσει την αντίστοιχη χωρητικότητα επαναβλάστησης, ενώ στα Pine Point Mine, Stanrock και Clinton Creek Mine έχουν απομείνει σημαντικά θραύσματα γυμνής γης ή/και υδάτινης επιφάνειας, γεγονός που δείχνει ότι υπάρχει χώρος για περαιτέρω αποκατάσταση της βλάστησης. Ο δείκτης RI παρέχει ένα ποσοτικό μέτρο του επιπέδου αναβλάστησης κι όσο υψηλότερο RI σημαίνει λιγότερες διαταραχές λόγω καλύτερης ανάκτησης βλάστησης. Η ανάλυση RI επιβεβαιώνει ότι οι βιώσιμες πρακτικές που περιλαμβάνουν ενεργητική βλάστηση μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά την ανάκτηση της υγείας και της αφθονίας της βλάστησης σε διαταραγμένες περιοχές εξόρυξης στον Καναδά, επειδή το RI που προκύπτει από μια ενεργή αναβλάστηση ξεπέρασε σημαντικά το RI που βιώνει μόνο μια παθητική βλάστηση. Η αξιολόγηση και παρακολούθηση της ανάκτησης βάσει τηλεπισκόπησης επηρρεάζεται από ορισμένους περιορισμούς. Ένας περιορισμός είναι ότι η χωρική ανάλυση των εικόνων Landsat κατέστησε δύσκολη τη χαρτογράφηση οποιασδήποτε αλλαγής κάλυψης γης σε μικρότερη κλίμακα (<30 m), γι’ αυτό θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν σε συνδυασμό με την επιτόπια έρευνα για να βελτιωθεί η ακρίβεια της αξιολόγησης. Εναλλακτικά, συνιστώνται εικόνες από δορυφόρους πολύ υψηλής χωρικής ανάλυσης. Ένας άλλος περιορισμός είναι ότι η ανίχνευση εικόνων Landsat υπόκειται σε καιρικές συνθήκες, όπως η κάλυψη σύννεφων, η οποία θα μπορούσε να προκαλέσει ορισμένα κενά για τη μακροπρόθεσμη παρακολούθηση. Στο μέλλον, η τηλεπισκόπηση μικροκυμάτων, η οποία είναι λιγότερο επιρρεπής στην κάλυψη σύννεφων, μπορεί να χρησιμοποιηθεί με τις εικόνες Landsat χωρίς σύννεφα για την παροχή καλύτερης χρονικής κάλυψης. 

''' 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης και οι εικόνες Landsat είναι κατάλληλες για μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της ανάκτησης βλάστησης σε τοποθεσίες μετά το κλείσιμο ορυχείων στον Καναδά. Η ενεργός ανάκτηση και βλάστηση είναι μια κρίσιμης σημασίας βιώσιμη πρακτική για το κλείσιμο ενός ορυχείου, ενώ η παθητική αποκατάσταση από μόνη της τυπικά δεν μπορεί να προσφέρει επαρκή ποσοστά αλλαγής κάλυψης γης και έκταση βλάστησης σε μολυσμένες τοποθεσίες. Η ποσοτικοποιημένη συμπεριφορά ανάκτησης του ορυχείου και οι σχετικές βιώσιμες πρακτικές θα παρέχουν σημαντική καθοδήγηση για τη βιώσιμη διαχείριση πόρων βάσει στοιχείων στον Καναδά και σε όλο τον κόσμο. 

[[category:Δασοπονία, Δασική διαχείριση]]

Αξιολόγηση βλάστησης βάσει τηλεπισκόπησης σε τοποθεσίες ορυχείων μετά το κλείσιμό τους στον Καναδά

2024-02-16T15:30:25Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Remote Sensing-Based Revegetation Assessment at Post-Closure Mine Sites in Canada''

'''Συγγραφείς: ''' Sam Gordon, Xiaoyong Xu and Yanyu Wang

'''Δημοσιεύθηκε: ''' ''Sustainability 2023, 15, 11287. https://doi.org/10.3390/su151411287''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Βλάστηση

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Αξιολόγηση βλάστησης σε τοποθεσίες ορυχείων του Καναδά '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_CAN_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Λίστα με επιλεγμένες τοποθεσίες ορυχείων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Η γεωγραφική κατανομή των επιλεγμένων θέσεων ορυχείων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' Το NDVI αλλάζει με το έτος (συμπαγείς γραμμές) για τις τοποθεσίες του ορυχείου μελέτης. Οι γραμμές παύλα υποδηλώνουν τις γραμμές τάσης γραμμικής παλινδρόμησης για τις αλλαγές NDVI, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' Οι κλίσεις γραμμικής παλινδρόμησης (ρυθμοί) για το NDVI αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου στις τοποθεσίες μελέτης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1989 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο ορυχείο Pine Point. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1997 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο Wapisiw Lookout. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1984 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνεσυση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στην τοποθεσία Gateway Hill. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο της τοποθεσίας υπερφόρτωσης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1984 και (b) 2021, καθώς και (c) ο εντοπισμός αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο Highmont. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1992 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο Stanrock TMA. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_10.png | thumb| right|'''Εικόνα 10.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1984 και (b) 2021, καθώς και (c) ο εντοπισμός αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο ορυχείο Clinton Creek. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο της μονάδας απορριμάτων βράχου του Clinton Creek, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_11.png | thumb| right|'''Εικόνα 11.''' '' Σχέδιο διασποράς του έτους κλεισίματος της τοποθεσίας έναντι του έτους 2021 όσον αφορά τις τιμές RI στις έξι τοποθεσίες ορυχείων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

Ο τομέας εξόρυξης διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην οικονομία του Καναδά διότι η βιομηχανία εξόρυξης συνεισέφερε το 5% του ονομαστικού ΑΕΠ του Καναδά το 2019 και επίσης υποστηρίζει τεράστια ποσά τοπικής απασχόλησης, ειδικά για αυτόχθονες πληθυσμούς στον Καναδά. Επιπλέον, η απασχόληση που σχετίζεται με την εξόρυξη μπορεί να μεταφέρει περαιτέρω τα οφέλη από την ανάπτυξη των πόρων στην τοπική οικονομία. Ωστόσο, η εξόρυξη θα μπορούσε να προκαλέσει μια σειρά περιβαλλοντικών ζητημάτων (π.χ. διαταραγμένα εδάφη, μόλυνση εδάφους και υδάτινων πόρων και απώλεια βιοποικιλότητας). Η κάλυψη γης και η αλλαγή χρήσης γης θα επηρεάσουν την απορρόφηση άνθρακα, επιδεινώνοντας την υπερθέρμανση του πλανήτη και τους τοπικούς κλιματικούς κινδύνους. Έτσι, μία από τις πιο σημαντικές πρακτικές για τη βιώσιμη ανάπτυξη των εργασιών εξόρυξης είναι η αποκατάσταση της βλάστησης, του εδάφους, της βιοποικιλότητας και των οικολογικών διεργασιών των διαταραγμένων εδαφών σε περιοχές μετά το κλείσιμο ορυχείων, προσφέροντας φυσικά, χημικά και βιολογικά οφέλη σε ανακτημένες τοποθεσίες ορυχείων, οι οποίες μπορούν να ανακτήσουν την ικανότητά τους να αποθηκεύουν άνθρακα και άζωτο. Στον Καναδά, πολλές από τις τοποθεσίες ορυχείων είχαν συνήθως υποστεί αποκατάσταση μέσω φυσικής διαδοχής μετά από διαταραχή, η οποία είναι γνωστή ως αυθόρμητη αναβλάστηση ή παθητική αποκατάσταση. Άλλη μέθοδος είναι η ενεργή αποκατάσταση κατά την οποία σχεδιάζονται και υλοποιούνται έργα αποκατάστασης γης σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο λειτουργίας του οικοσυστήματος, βελτιώνοντας την ακεραιότητα του περιφερειακού οικοσυστήματος και την κοινωνική-οικολογική ανθεκτικότητα. Μια παθητική ανάκτηση μπορεί να αυξήσει τη βιοποικιλότητα και τις οικολογικές λειτουργίες με σχετικά χαμηλές οικονομικές δαπάνες, αλλά συνήθως οδηγεί σε πιο αργή ανάκτηση και λιγότερο έλεγχο των ιδιοτήτων του οικοσυστήματος, ενώ μια ενεργή ανάκτηση και βλάστηση μπορεί να διευκολύνει και να επιταχύνει την ανάκαμψη του τοπίου και του οικοσυστήματος. Η μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της αλλαγής της κάλυψης γης είναι ένα σημαντικό στοιχείο των πρακτικών βιώσιμης αποκατάστασης που σχετίζονται με διαταραχές από τις εξορυκτικές εργασίες. Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αξιολόγηση της έκτασης της αναβλάστησης του ορυχείου, καθώς, η τηλεπισκόπηση προσφέρει τα πλεονεκτήματά της (π.χ. καλύτερη χωρική κάλυψη, λιγότερα εργατικά και οικονομικά έξοδα) στην παρακολούθηση της αλλαγής της κάλυψης γης. Οι μέθοδοι τηλεπισκόπησης χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο για την ανίχνευση της αποκατάστασης και της αναβλάστησης του ορυχείου στον Καναδά τις τελευταίες δεκαετίες. Χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα πολλαπλών χρονικών πολυφασματικών ή υπερφασματικών εικόνων για την εξαγωγή των δεικτών βλάστησης ή/και των ταξινομημένων τύπων κάλυψης γης, τα οποία στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για την παρακολούθηση της αναβλάστησης του ορυχείου. Επιπλέον, οι τεχνικές τηλεπισκόπησης έχουν εφαρμοστεί για την αξιολόγηση της αποκατάστασης και της αναβλάστησης σε τοποθεσίες ορυχείων σε όλο τον κόσμο, όπως στην Αυστραλία, τη Βραζιλία, την Κίνα, την Ευρώπη και τις ΗΠΑ. Αν και έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στην αξιολόγηση βάσει τηλεπισκόπησης της αναβλάστησης του ορυχείου και της οικολογικής αποκατάστασης στον Καναδά, οι περισσότερες από τις αξιολογήσεις επικεντρώθηκαν μόνο στη συμπεριφορά ανάκτησης και αναβλάστησης σε μία τοποθεσία ορυχείου. Υπάρχει έλλειψη πληροφοριών σχετικά με το πόσο διαφορετικά συμπεριφέρθηκε η ανάκτηση του τοπίου σε διαφορετικές τοποθεσίες, έτσι, η παρούσα μελέτη χρησιμοποιεί τεχνικές τηλεπισκόπησης για να εξετάσει την αλλαγή της κάλυψης της βλάστησης στο χώρο και το χρόνο σε πολλαπλές τοποθεσίες ορυχείων σε ολόκληρο τον Καναδά.

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Τοποθεσίες εξόρυξης '''

Η παρούσα μελέτη συγκρίνει την απόδοση των ανακτημένων τοποθεσιών ορυχείων στον Καναδά, επιλέγοντας τις ακόλουθες τοποθεσίες ορυχείων μετά το κλείσιμο: Pine Point Mine στα βορειοδυτικά εδάφη του Καναδά, Wapisiw Lookout, Gateway Hill, Highmont στη Βρετανική Κολομβία, Stanrock στο Οντάριο και Clinton Creek Mine στο Γιούκον. Το Pine Point Mine ήταν ένα ανοιχτό ορυχείο μολύβδου-ψευδάργυρου με έδρα το Βανκούβερ του Καναδά. Οι εργασίες εξόρυξης ξεκίνησαν το 1964, σταμάτησαν το 1988 και καθ' όλη τη διάρκεια των εργασιών, εξορύχθηκαν περίπου 70 εκατομμύρια τόνοι μεταλλεύματος. Η περιοχή διαχείρησης απορριμάτων ήταν περίπου 700 εκτάρια και περιείχε περίπου 54 εκατομμύρια τόνους απορριμμάτων. Με το κλείσιμο του ορυχείου εφαρμόστηκε σχέδιο εγκατάλειψης και αποκατάστασης, ωστόσο, κυριαρχεί μια παθητική αποκατάσταση στο Pine Point Mine τις τελευταίες δεκαετίες. Τόσο το Wapisiw Lookout όσο και το Gateway Hill βρίσκονται στην άμμο πετρελαίου Athabasca στη βόρεια Αλμπέρτα. Η λίμνη απορριμμάτων Wapisiw Lookout (περίπου 220 εκτάρια) ξεκίνησε τη λειτουργία της το 1967 και παροπλίστηκε το 1997. Οι ενεργές προσπάθειες αποκατάστασης περιελάμβαναν κυρίως μεταφορά των απορριμμάτων από τη λίμνη σε διαφορετική τοποθεσία για επεξεργασία, γεμίζοντας τη λίμνη με καθαρή άμμο καλυμμένη με παχύ στρώμα φυτικού εδάφους και φύτευση καλλιεργειών, χόρτων και δέντρων. Κατά την περίοδο 2009–2010, χρειάστηκαν περίπου 65.000 φορτηγά με υλικά αποκατάστασης, ενώ, το 2010 φυτεύτηκαν πάνω από 620.000 δέντρα, θάμνοι και χόρτα. Η τοποθεσία είναι σε μόνιμη αποκατάσταση από το 2010, ενώ, το Gateway Hill που καλύπτει μια έκταση περίπου 104 εκταρίων, χρησιμοποιήθηκε ως απόθεμα υπερκείμενων υλικών για τις εργασίες εξόρυξης αντί για αποθήκευση απορριμμάτων ή άλλων δυνητικά μολυσμένων υλικών. Η περιοχή σταμάτησε τις εξορυκτικές της δραστηριότητες στις αρχές της δεκαετίας του 1980 και αναβλαστήθηκε με δέντρα και θάμνους. Η τοποθεσία Gateway Hill έλαβε επίσημο πιστοποιητικό ανάκτησης από την κυβέρνηση της Αλμπέρτα το 2008 και πιστοποιήθηκε ως δασώδης λοφώδης έκταση (~104 εκτάρια). Τα οικοσυστήματα περιλαμβάνουν κυρίως δάσος ελάτης, δάσος με πεύκα, λιβάδια και υγρότοπους. Η εγκατάσταση αποθήκευσης απορριμμάτων Highmont ανήκει στο ορυχείο Highland Valley Copper στη νότιο-κεντρική Βρετανική Κολομβία. Το Highland Valley Copper είναι ένα από τα μεγαλύτερα ανοιχτά ορυχεία στον κόσμο χαλκού και μολυβδαινίου και το Highmont (περίπου 220 εκτάρια) χρησιμοποιήθηκε για τη διαχείριση των απορριμμάτων από το 1980 έως το 1984. Η αποκατάσταση αυτού του ορυχείου βασίστηκε σε ένα σχέδιο τελικής χρήσης γης, ενώ, η περιοχή Highmont έχει αναβλαστήσει κυρίως μέσω της εγκατάστασης υδρόβιας βλάστησης και των προσπαθειών αναβλάστησης υγροτόπων. Το Stanrock, που ανήκει στην Denison Mines Limited, βρίσκεται στην περιοχή της λίμνης Elliot, στο Οντάριο και η περιοχή αυτής της λίμνης χρησίμευε ως κύρια βάση για την εξόρυξη ουρανίου. Το Stanrock, που καλύπτει μια έκταση περίπου 52 εκταρίων, χρησιμοποιήθηκε για την εναπόθεση απορριμμάτων μεταξύ των μέσων της δεκαετίας του 1950 έως τις αρχές της δεκαετίας του 1960, αν και ο παροπλισμός του ουρανίου ξεκίνησε λίγο μετά το 1992, όταν ολόκληρη η εγκατάσταση εξόρυξης ουρανίου έπαυσε οριστικά τη λειτουργία της. Η παραγωγή οξέος ήταν μια σημαντική περιβαλλοντική ανησυχία που σχετίζεται με τα απορρίμματα ουρανίου, ωστόσο, δεδομένου ότι η τελευταία εναπόθεση απορριμμάτων στο Stanrock συνέβη στις αρχές της δεκαετίας του 1960, σχεδόν κανένας αντιδραστικός πυρίτης δεν παρέμεινε στο επιφανειακό στρώμα των απορριμμάτων στις αρχές της δεκαετίας του 1990, όταν ξεκίνησε ο παροπλισμός. Χρησιμοποιήθηκε προσέγγιση ξηρού καλύμματος για τον παροπλισμό του Stanrock και από το 1998, όταν ολοκληρώθηκαν οι περισσότερες από τις σημαντικές δραστηριότητες ανάκτησης κεφαλαίων, ο παροπλισμός έχει εισέλθει στη φάση μακροπρόθεσμης παρακολούθησης. Το Clinton Creek Mine ανήκε στην Cassiar Asbestos Corporation και λειτουργούσε ως ορυχείο αμιάντου από το 1968 έως το 1978. Η τοποθεσία του ορυχείου βρίσκεται περίπου 100 χλμ. βορειοδυτικά της Ντόσον Σίτι, Γιούκον. Κατά τη διάρκεια των εργασιών του, το μετάλλευμα αμιάντου εξήχθη από τα ανοιχτά κοιλώματα και μεταφέρθηκε σε μύλο για επεξεργασία, ενώ, η αναβλάστηση βρέθηκε ότι συμβαίνει φυσικά (δηλαδή, παθητική βλάστηση) στις χωματερές άχρηστων πετρωμάτων από το κλείσιμο του ορυχείου το 1978. 

''' 2.2. Δεδομένα εικόνων τηλεπισκόπησης '''

Μέχρι στιγμής, οι δορυφόροι Landsat έχουν παράσχει σχεδόν 50 χρόνια συλλογής δεδομένων εικόνων, γεγονός που καθιστά τις εικόνες Landsat πολύ κατάλληλες για μια μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της αλλαγής της επιφάνειας της γης. Πολυχρονικές εικόνες τηλεπισκόπησης που συλλέχθηκαν από τους δορυφόρους Landsat 5 (1984-1993) και Landsat 8 (1993 έως σήμερα) χρησιμοποιούνται για την ποσοτικοποίηση της αλλαγής της κάλυψης της γης και την έκταση της βλάστησης στις στοχευόμενες τοποθεσίες ορυχείων. Οι εικόνες Landsat 5 και Landsat 8 για κάθε τοποθεσία ορυχείου, λήφθηκαν από τη βάση δεδομένων Earth Explorer του Γεωλογικού Ινστιτούτου των Ηνωμένων Πολιτειών. Τελικά, λήφθηκαν περίπου 25 έως 38 εικόνες Landsat μεταξύ του 1984 (ή του αντίστοιχου έτους κλεισίματος όταν ήταν αργότερα από το 1984) και του 2021 για κάθε τοποθεσία. Πραγματοποιείται μια δέσμη προεπεξεργασίας των ληφθέντων εικόνων Landsat και κατά την προεπεξεργασία, το εργαλείο διαχείρισης σύνθετων ζωνών χρησιμοποιείται για τη δημιουργία των σύνθετων εικόνων, οι οποίες αποκόπτονται στην αντίστοιχη περιοχή ενδιαφέροντος της τοποθεσίας ορυχείου.

''' 2.3. Μέθοδος Ανάλυσης '''

Πραγματοποιείται η ανάλυση Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). Το NDVI είναι ένα ποσοτικό μέτρο της αφθονίας και του σθένους της βλάστησης και υπολογίζεται σε κάθε εικονοστοιχείο εικόνας. 

<center> ''' NDVI=(Bnir - Bred)/(Bnir + Bred), (1) ''' </center>

όπου, το Bnir και το Bred υποδηλώνουν τις τιμές ανάκλασης από τις φασματικές ζώνες κοντά στο υπέρυθρο και το κόκκινο, αντίστοιχα. Το NDVI κυμαίνεται από -1 έως 1. Ένα υψηλότερο NDVI υποδηλώνει περισσότερη ζωντανή πράσινη βλάστηση. Για κάθε τοποθεσία ορυχείου, οι χρονικές διακυμάνσεις των τιμών NDVI κατά μέσο όρο προέρχονται από τις εικόνες Landsat. Στη συνέχεια, εφαρμόζεται μια γραμμική παλινδρόμηση που βασίζεται στη μέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων για να ποσοτικοποιηθεί η τάση αλλαγής της κάλυψης της βλάστησης με την πάροδο του χρόνου.

Για κάθε τοποθεσία, οι εικόνες από τα έτη 1984 (ή το έτος κλεισίματος της τοποθεσίας όταν ήταν μεταγενέστερο του 1984) και το 2021 ταξινομήθηκαν σε διαφορετικές κατηγορίες κάλυψης γης χρησιμοποιώντας τη μέθοδο του τυχαίου δάσους. Δεδομένου ενός έτους ταξινόμησης, οι εικόνες ανάκλασης επιφάνειας Landsat από τον Ιούνιο έως τον Σεπτέμβριο του έτους συντέθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή του χάρτη ταξινόμησης με βάση τη μέθοδο της διάμεσης σύνθεσης. Έξι δείκτες συμπεριλαμβανομένου NDVI, κανονικοποιημένης αναλογίας καύσης (NBR), κανονικοποιημένης διαφοράς δείκτη υγρασίας (NDMI), πρασινάδας καπακιού (TCG), φωτεινότητας καπακιού φούντας (TCB) και υγρασίας καπακιού φούντας (TCW) προήλθαν από τη σύνθετη εικόνα και στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για την τυχαία ταξινόμηση δασών. Τα δείγματα εκπαίδευσης και τα δείγματα επικύρωσης συλλέχθηκαν για κάθε κατηγορία και ο αριθμός των δέντρων που χρησιμοποιήθηκαν για το μοντέλο τυχαίου δάσους είναι 85. Περαιτέρω, πραγματοποιήθηκε ανίχνευση αλλαγής μετά την ταξινόμηση για την παρακολούθηση της αλλαγής χρήσης γης/κάλυψης. Ο Δείκτης Regrowth (RI) υπολογίζεται σε κάθε τοποθεσία μελέτης και είναι ένα μέτρο της έκτασης της ανάκτησης της βλάστησης που προκύπτει από την αποκατάσταση σε μια διαταραγμένη τοποθεσία σε σχέση με μια μη διαταραγμένη τοποθεσία αναφοράς. Το RI υπολογίζεται ως η διαφορά NDVI μεταξύ μιας διαταραγμένης τοποθεσίας ορυχείου (NDVIdisturbed) και της αντίστοιχης μη διαταραγμένης τοποθεσίας αναφοράς (NDVIreference):

<center> ''' RI = NDVIdisturbed - NDVIreference, (2) ''' </center>

Σε κάθε τοποθεσία μελέτης, η περιοχή χωρίς οπτικά αισθητές ανθρωπογενείς διαταραχές επιλέγεται ως η αντίστοιχη τοποθεσία αναφοράς και η χρήση τους είναι ζωτικής σημασίας για την παρακολούθηση του επιπέδου επιτυχίας της αποκατάστασης. Το RI ελαχιστοποιεί τις επιπτώσεις στην εκτίμηση της τάσης NDVI από περιφερειακούς περιβαλλοντικούς παράγοντες (μεταβολές καιρού/κλίματος, υδρολογία, ηλιακή ακτινοβολία, συνθήκες υγρασίας του εδάφους) καθώς αυτοί οι περιβαλλοντικοί παράγοντες αναμένεται να έχουν πολύ παρόμοιες επιπτώσεις στις διαταραγμένες και μη διαταραγμένες περιοχές. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ '''

''' 3.1. Ανάλυση NDVI '''

Ο δείκτης NDVI ήταν ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος δείκτης τηλεπισκόπησης για την αξιολόγηση της αποκατάστασης της περιοχής ορυχείων. Το αρχικό NDVI (πριν από την εκ νέου βλάστηση) είναι τυπικά χαμηλό και καθώς εμφανίζεται η αναγέννηση της βλάστησης, το NDVI, τείνει να αυξάνεται. Ως εκ τούτου, οι τάσεις NDVI μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μετρηθεί εάν η ανάκτηση είναι επιτυχής στην τοποθεσία. Ο NDVI δεν υπολογίζεται όταν δεν είναι διαθέσιμες οι αντίστοιχες εικόνες Landsat χωρίς σύννεφο. Όλες οι τοποθεσίες ορυχείων εμφανίζουν αυξανόμενες τάσεις NDVI αλλά με διαφορετικούς ρυθμούς μεταβολής. Η τοποθεσία Wapisiw Lookout έκλεισε αργότερα από άλλες τοποθεσίες ορυχείων, αλλά παρουσίασε τη μεγαλύτερη αυξητική τάση στο NDVI. Επίσης, παρόλο που το Wapisiw Lookout έγινε ανενεργό το 1997, οι σημαντικές προσπάθειες ανάκτησης και φύτευσης ξεκίνησαν επίσημα μεταξύ 2009 και 2010. Συνεπώς, από το 2009, ο NDVI της τοποθεσίας αυξήθηκε ραγδαία. Ο NDVI του Stanrock έχει τον δεύτερο υψηλότερο ρυθμό ανάπτυξης με την ταχεία αύξηση του NDVI να ξεκινά το 1998–1999 όταν ολοκληρώθηκαν οι σημαντικές δραστηριότητες ανάκτησης κεφαλαίων στην περιοχή. Το Highmont και το Gateway Hill έκλεισαν στις αρχές της δεκαετίας του 1980, νωρίτερα από άλλες τοποθεσίες. Αν και η τοποθεσία Highmont είχε το χαμηλότερο NDVI πριν από την ανάκτηση, έχει εντοπιστεί μια μονότονη και ουσιαστική αυξητική τάση NDVI για την τοποθεσία, λόγω αποτελεσματικού σχεδίου τελικής χρήσης γης. Αντίθετα, η τοποθεσία Gateway Hill είχε το υψηλότερο NDVI πριν από την επαναβλάστηση σε όλες τις περιοχές μελέτης, διότι χρησιμοποιήθηκε ως απόθεμα υπερκείμενων υλικών για τις εργασίες εξόρυξης και όχι ως αποθήκευση απορριμμάτων. Το NDVI του Gateway Hill παρουσίασε ισχυρή ανοδική τάση μέχρι το 2003 και στη συνέχεια παρέμεινε σχετικά σταθερό. Το Pine Point Mine και οι χωματερές πετρωμάτων του Clinton Creek Mine παρουσίασαν συλλογικά τη μικρότερη αλλαγή στο NDVI με την πάροδο του χρόνου, λόγω της παθητικής επαναβλάστησης. Ωστόσο, η αργή αύξηση του NDVI εξακολουθεί να είναι στατιστικά σημαντική. 

''' 3.2. Ταξινόμηση εικόνας και ανίχνευση αλλαγής μετά την ταξινόμηση '''

Για κάθε τοποθεσία, οι εικόνες από το έτος 1984 (ή το έτος κλεισίματος της τοποθεσίας όταν ήταν αργότερα από το 1984) και το παρόν (έτος 2021) ταξινομούνται σε πέντε κατηγορίες κάλυψης γης: δάσος, θαμνώδεις εκτάσεις, λιβάδια, επιφάνεια νερού και γυμνή γη. Το Pine Point Mine κατά το κλείσιμό του κυριαρχούνταν από γυμνή γη κι ακόμα και σήμερα, εξακολουθεί να υπάρχει έλλειψη σημαντικής βλάστησης με εξαίρεση, μόνο κάποια περιορισμένα κομμάτια, λόγω της παθητικής επαναβλάστησης. Μια οριακή αύξηση στην περιοχή με βλάστηση είναι σύμφωνη με μια μικρή αλλαγή NDVI και οι δυσμενείς περιβαλλοντικοί παράγοντες, όπως η έλλειψη θρεπτικών ουσιών και υγρασίας και οι υψηλές συγκεντρώσεις αλατιού, μολύβδου και ψευδαργύρου εμπόδισαν περαιτέρω τη βλάστηση στην περιοχή. Το Wapisiw Lookout στο κλείσιμό του κυριαρχούνταν από την επιφάνεια του νερού και το γυμνό έδαφος ή βράχο με περιορισμένη κάλυψη βλάστησης, ενώ η βλάστηση κυριαρχεί στη σύγχρονη τοποθεσία. Η αλλαγή της κάλυψης του εδάφους αποκαλύπτει ξεκάθαρα την ουσιαστική έκταση της βλάστησης, η οποία είναι συνεπής με τους φυτεμένους τύπους βλάστησης το 2010. Ένα μεγάλο κομμάτι γυμνής γης ήταν εμφανές για την τοποθεσία Gateway Hill, η οποία έχει μετατραπεί σε μεγάλο βαθμό σε μια περιοχή με βλάστηση (που κυριαρχείται από δάση). Εκτός από τη σημαντική αύξηση της έκτασης με βλάστηση, το νέο οδικό δίκτυο έχει επίσης αναπτυχθεί για το Gateway Hill. Το Highmont κυριαρχούνταν από την επιφάνεια του νερού και το γυμνό έδαφος ή βράχο όταν έκλεισε το 1984, γεγονός που οδήγησε στο σχεδόν μηδενικό NDVI για την τοποθεσία στο κλείσιμο. Τα κύρια τμήματα της λίμνης απορριμμάτων και των γυμνών εκτάσεων έχουν αναβλαστήσει με χόρτα και δέντρα, αν και η κάλυψη βλάστησης εξακολουθεί να απουσιάζει στο κεντρικό τμήμα της αρχικής λίμνης απορριμμάτων. Στο Stanrock, η γυμνή γη κυριαρχούσε το 1992 από τότε που η τελευταία εναπόθεση απορριμμάτων στην τοποθεσία έγινε στις αρχές της δεκαετίας του 1960. Η ανίχνευση αλλαγής μετά την ταξινόμηση δείχνει ότι το Stanrock είχε βιώσει μια σημαντική αναβλάστηση τα τελευταία 30 χρόνια και η γυμνή γη έχει μετατραπεί σε μεγάλο βαθμό σε φυτική κάλυψη μέσω των δραστηριοτήτων αποκατάστασης. Ωστόσο, τα μικρά γυμνά και υδάτινα επιφανειακά θραύσματα εξακολουθούν να υπάρχουν, λόγω της ύπαρξης υποδομής για την επιφανειακή αποστράγγιση από τα απορρίμματα που παράγουν οξύ. Η αναβλάστηση συνέβη φυσικά πάνω από τις χωματερές βράχων του Clinton Creek Mine. Οι χωματερές βράχων κοντά στη νοτιοδυτική όχθη του Clinton Creek Mine είχαν παραμείνει γυμνές μέχρι το 1984 από το κλείσιμό του στα τέλη της δεκαετίας του 1970. Η φυσική αναβλάστηση εμφανίστηκε μόνο σε ένα μικρό τμήμα των χωματερών τις τελευταίες δεκαετίες, ενώ οι περισσότερες από τις πλαγιές των χωματερών εξακολουθούσαν να στερούνται φυτικής κάλυψης μέχρι το 2021.

''' 3.3. Ανάλυση δείκτη Regrowth '''

Η χρήση του RI βοηθάει στην εκτίμηση του επιπέδου επιτυχίας της επαναβλάστησης. Οι τιμές RI από το έτος κλεισίματος της τοποθεσίας και το έτος 2021 υπολογίζονται και συγκρίνονται μεταξύ των έξι τοποθεσιών ορυχείων. Οι τιμές RI από τα αντίστοιχα έτη κλεισίματος των έξι τοποθεσιών ορυχείων είναι όλες κάτω από το μηδέν. Έτσι, το αρνητικό RI δείχνει ότι οι διαταραχές υπήρχαν για κάθε τοποθεσία στο κλείσιμό της. Ένας πιο αρνητικός RI σημαίνει υψηλότερο βαθμό διαταραχής σε σχέση με την αντίστοιχη μη διαταραγμένη θέση αναφοράς. Η διαδικασία επαναβλάστησης, εάν συμβεί, αναμένεται να αμβλύνει τις διαταραχές και επομένως να αυξήσει τις τιμές RI. Οι τιμές RI είναι κοντά ή λίγο πάνω από το μηδέν για τις παρούσες τοποθεσίες Gateway Hill, Wapisiw Lookout και Highmont που σημαίνει ότι οι συνθήκες κάλυψης της βλάστησης των τριών αυτών τοποθεσιών έχουν ήδη αποκατασταθεί σε επίπεδο που είναι πολύ κοντά ή καλύτερο από την αδιατάρακτη κατάσταση προεξόρυξης. Για την ανακτημένη τοποθεσία Stanrock, αν και παρατηρείται επίσης σημαντική αύξηση στο RI, η τελευταία τιμή RI εξακολουθεί να είναι αρνητική. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι η παρούσα RI εξακολουθεί να είναι αρκετά αρνητική στις δύο περιοχές με παθητική αναβλάστηση (Pine Point και Clinton Creek). Μελέτες δείχνουν ότι η αρχική RI (πριν από την επαναβλάστηση) ήταν αρνητική και στη συνέχεια είχε κλίση προς το μηδέν καθώς η σημαντική αναγέννηση της βλάστησης εμφανίστηκε στην διαταραγμένη περιοχή. Οι τάσεις του RI στις τέσσερις τοποθεσίες με ενεργή αναβλάστηση (Gateway Hill, Wapisiw Lookout, Highmont και Stanrock) συμφωνούσαν καλά με την διαπίστωση, η οποία παρείχε στοιχεία για την αποτελεσματικότητα της εκτίμησης RI.

''' 4. ΣΥΖΗΤΗΣΗ '''

Η βιωσιμότητα των εργασιών εξόρυξης διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην επίτευξη των παγκόσμιων στόχων βιώσιμης ανάπτυξης. Για να προωθηθεί η κατανόηση των βιώσιμων πρακτικών που σχετίζονται με την ανάκτηση τοποθεσιών ορυχείων στον Καναδά, αξιολογούμε τις αλλαγές κάλυψης γης στο χώρο και το χρόνο σε πολλαπλές αποκαταστημένες τοποθεσίες ορυχείων σε ολόκληρο τον Καναδά με βάση πολλαπλές χρονικές εικόνες Landsat. Το NDVI είναι ένας κρίσιμος δείκτης τηλεπισκόπησης για την αποτελεσματική παρακολούθηση της συμπεριφοράς της αναβλάστησης του ορυχείου, π.χ. σύμφωνα με την ανάλυση NDVI, μια περιοχή με ενεργή αναβλάστηση είχε τυπικά μια σημαντική αύξηση στην υγιή βλάστηση χάρη στις καλά σχεδιασμένες βιώσιμες πρακτικές, όπως η προσθήκη φυτικού εδάφους και επανασπορά με διάφορα προσαρμοσμένα φυτικά είδη. Αντίθετα, μια αργή ανάκαμψη της υγείας και της αφθονίας της βλάστησης είναι πολύ πιθανό να συμβεί σε μια τοποθεσία μετά το κλείσιμο του ορυχείου χωρίς να υποστούν σημαντικές προσπάθειες ενεργού βλάστησης. Αυτό είναι σύμφωνο με μια ασθενή αυξητική τάση NDVI που ποσοτικοποιήθηκε για το Pine Point, το οποίο δεν υποβλήθηκε σε σημαντικές προσπάθειες ενεργού αναβλάστησης και περιορίστηκε μόνο με ένα λεπτό μείγμα άμμου και χαλικιού για την πρόληψη της σκόνης. Η υψηλή συγκέντρωση μεταλλικών μολυσματικών ουσιών θα μπορούσε να οδηγήσει σε φυτοτοξικότητα, ανεπάρκειες θρεπτικών ουσιών και κακή υφή του εδάφους, τα οποία δεν ευνόησαν την εγκατάσταση βλάστησης. Παρόμοια αποτελέσματα παρατηρήθηκαν για το παθητικά αναζωογονημένο ορυχείο Clinton Greek Mine στο Yukon και τις τοποθεσίες ορυχείων μολύβδου και ψευδαργύρου στην Κίνα. Η ανίχνευση αλλαγών που προέρχεται από ταξινόμηση δορυφορικών εικόνων είναι επίσης μια σημαντική μέθοδος για την αξιολόγηση της αναβλάστησης του ορυχείου. Οι προκύπτοντες χάρτες ταξινόμησης και ανίχνευσης αλλαγών τεκμηρίωσαν περαιτέρω την αλλαγή της βλάστησης που προέκυψε από την ανάλυση NDVI. Το Wapisiw Lookout και το Gateway Hill έχουν φτάσει ή πλησιάσει την αντίστοιχη χωρητικότητα επαναβλάστησης, ενώ στα Pine Point Mine, Stanrock και Clinton Creek Mine έχουν απομείνει σημαντικά θραύσματα γυμνής γης ή/και υδάτινης επιφάνειας, γεγονός που δείχνει ότι υπάρχει χώρος για περαιτέρω αποκατάσταση της βλάστησης. Ο δείκτης RI παρέχει ένα ποσοτικό μέτρο του επιπέδου αναβλάστησης κι όσο υψηλότερο RI σημαίνει λιγότερες διαταραχές λόγω καλύτερης ανάκτησης βλάστησης. Η ανάλυση RI επιβεβαιώνει ότι οι βιώσιμες πρακτικές που περιλαμβάνουν ενεργητική βλάστηση μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά την ανάκτηση της υγείας και της αφθονίας της βλάστησης σε διαταραγμένες περιοχές εξόρυξης στον Καναδά, επειδή το RI που προκύπτει από μια ενεργή αναβλάστηση ξεπέρασε σημαντικά το RI που βιώνει μόνο μια παθητική βλάστηση. Η αξιολόγηση και παρακολούθηση της ανάκτησης βάσει τηλεπισκόπησης επηρρεάζεται από ορισμένους περιορισμούς. Ένας περιορισμός είναι ότι η χωρική ανάλυση των εικόνων Landsat κατέστησε δύσκολη τη χαρτογράφηση οποιασδήποτε αλλαγής κάλυψης γης σε μικρότερη κλίμακα (<30 m), γι’ αυτό θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν σε συνδυασμό με την επιτόπια έρευνα για να βελτιωθεί η ακρίβεια της αξιολόγησης. Εναλλακτικά, συνιστώνται εικόνες από δορυφόρους πολύ υψηλής χωρικής ανάλυσης. Ένας άλλος περιορισμός είναι ότι η ανίχνευση εικόνων Landsat υπόκειται σε καιρικές συνθήκες, όπως η κάλυψη σύννεφων, η οποία θα μπορούσε να προκαλέσει ορισμένα κενά για τη μακροπρόθεσμη παρακολούθηση. Στο μέλλον, η τηλεπισκόπηση μικροκυμάτων, η οποία είναι λιγότερο επιρρεπής στην κάλυψη σύννεφων, μπορεί να χρησιμοποιηθεί με τις εικόνες Landsat χωρίς σύννεφα για την παροχή καλύτερης χρονικής κάλυψης. 

''' 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης και οι εικόνες Landsat είναι κατάλληλες για μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της ανάκτησης βλάστησης σε τοποθεσίες μετά το κλείσιμο ορυχείων στον Καναδά. Η ενεργός ανάκτηση και βλάστηση είναι μια κρίσιμης σημασίας βιώσιμη πρακτική για το κλείσιμο ενός ορυχείου, ενώ η παθητική αποκατάσταση από μόνη της τυπικά δεν μπορεί να προσφέρει επαρκή ποσοστά αλλαγής κάλυψης γης και έκταση βλάστησης σε μολυσμένες τοποθεσίες. Η ποσοτικοποιημένη συμπεριφορά ανάκτησης του ορυχείου και οι σχετικές βιώσιμες πρακτικές θα παρέχουν σημαντική καθοδήγηση για τη βιώσιμη διαχείριση πόρων βάσει στοιχείων στον Καναδά και σε όλο τον κόσμο. 

[[category:Δασοπονία, Δασική διαχείριση]]

Αξιολόγηση βλάστησης βάσει τηλεπισκόπησης σε τοποθεσίες ορυχείων μετά το κλείσιμό τους στον Καναδά

2024-02-16T15:24:16Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Remote Sensing-Based Revegetation Assessment at Post-Closure Mine Sites in Canada''

'''Συγγραφείς: ''' Sam Gordon, Xiaoyong Xu and Yanyu Wang

'''Δημοσιεύθηκε: ''' ''Sustainability 2023, 15, 11287. https://doi.org/10.3390/su151411287''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Βλάστηση

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Αξιολόγηση βλάστησης σε τοποθεσίες ορυχείων του Καναδά '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_CAN_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Λίστα με επιλεγμένες τοποθεσίες ορυχείων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Η γεωγραφική κατανομή των επιλεγμένων θέσεων ορυχείων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' Το NDVI αλλάζει με το έτος (συμπαγείς γραμμές) για τις τοποθεσίες του ορυχείου μελέτης. Οι γραμμές παύλα υποδηλώνουν τις γραμμές τάσης γραμμικής παλινδρόμησης για τις αλλαγές NDVI, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' Οι κλίσεις γραμμικής παλινδρόμησης (ρυθμοί) για το NDVI αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου στις τοποθεσίες μελέτης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1989 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο ορυχείο Pine Point. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1997 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο Wapisiw Lookout. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1984 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνεσυση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στην τοποθεσία Gateway Hill. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο της τοποθεσίας υπερφόρτωσης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1984 και (b) 2021, καθώς και (c) ο εντοπισμός αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο Highmont. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1992 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο Stanrock TMA. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_10.png | thumb| right|'''Εικόνα 10.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1984 και (b) 2021, καθώς και (c) ο εντοπισμός αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο ορυχείο Clinton Creek. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο της μονάδας απορριμάτων βράχου του Clinton Creek, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_11.png | thumb| right|'''Εικόνα 11.''' '' Σχέδιο διασποράς του έτους κλεισίματος της τοποθεσίας έναντι του έτους 2021 όσον αφορά τις τιμές RI στις έξι τοποθεσίες ορυχείων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

Ο τομέας εξόρυξης διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην οικονομία του Καναδά διότι η βιομηχανία εξόρυξης συνεισέφερε το 5% του ονομαστικού ΑΕΠ του Καναδά το 2019 και επίσης υποστηρίζει τεράστια ποσά τοπικής απασχόλησης, ειδικά για αυτόχθονες πληθυσμούς στον Καναδά. Επιπλέον, η απασχόληση που σχετίζεται με την εξόρυξη μπορεί να μεταφέρει περαιτέρω τα οφέλη από την ανάπτυξη των πόρων στην τοπική οικονομία. Ωστόσο, η εξόρυξη θα μπορούσε να προκαλέσει μια σειρά περιβαλλοντικών ζητημάτων (π.χ. διαταραγμένα εδάφη, μόλυνση εδάφους και υδάτινων πόρων και απώλεια βιοποικιλότητας). Η κάλυψη γης και η αλλαγή χρήσης γης θα επηρεάσουν την απορρόφηση άνθρακα, επιδεινώνοντας την υπερθέρμανση του πλανήτη και τους τοπικούς κλιματικούς κινδύνους. Έτσι, μία από τις πιο σημαντικές πρακτικές για τη βιώσιμη ανάπτυξη των εργασιών εξόρυξης είναι η αποκατάσταση της βλάστησης, του εδάφους, της βιοποικιλότητας και των οικολογικών διεργασιών των διαταραγμένων εδαφών σε περιοχές μετά το κλείσιμο ορυχείων, προσφέροντας φυσικά, χημικά και βιολογικά οφέλη σε ανακτημένες τοποθεσίες ορυχείων, οι οποίες μπορούν να ανακτήσουν την ικανότητά τους να αποθηκεύουν άνθρακα και άζωτο. Στον Καναδά, πολλές από τις τοποθεσίες ορυχείων είχαν συνήθως υποστεί αποκατάσταση μέσω φυσικής διαδοχής μετά από διαταραχή, η οποία είναι γνωστή ως αυθόρμητη αναβλάστηση ή παθητική αποκατάσταση. Άλλη μέθοδος είναι η ενεργή αποκατάσταση κατά την οποία σχεδιάζονται και υλοποιούνται έργα αποκατάστασης γης σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο λειτουργίας του οικοσυστήματος, βελτιώνοντας την ακεραιότητα του περιφερειακού οικοσυστήματος και την κοινωνική-οικολογική ανθεκτικότητα. Μια παθητική ανάκτηση μπορεί να αυξήσει τη βιοποικιλότητα και τις οικολογικές λειτουργίες με σχετικά χαμηλές οικονομικές δαπάνες, αλλά συνήθως οδηγεί σε πιο αργή ανάκτηση και λιγότερο έλεγχο των ιδιοτήτων του οικοσυστήματος, ενώ μια ενεργή ανάκτηση και βλάστηση μπορεί να διευκολύνει και να επιταχύνει την ανάκαμψη του τοπίου και του οικοσυστήματος. Η μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της αλλαγής της κάλυψης γης είναι ένα σημαντικό στοιχείο των πρακτικών βιώσιμης αποκατάστασης που σχετίζονται με διαταραχές από τις εξορυκτικές εργασίες. Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αξιολόγηση της έκτασης της αναβλάστησης του ορυχείου, καθώς, η τηλεπισκόπηση προσφέρει τα πλεονεκτήματά της (π.χ. καλύτερη χωρική κάλυψη, λιγότερα εργατικά και οικονομικά έξοδα) στην παρακολούθηση της αλλαγής της κάλυψης γης. Οι μέθοδοι τηλεπισκόπησης χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο για την ανίχνευση της αποκατάστασης και της αναβλάστησης του ορυχείου στον Καναδά τις τελευταίες δεκαετίες. Χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα πολλαπλών χρονικών πολυφασματικών ή υπερφασματικών εικόνων για την εξαγωγή των δεικτών βλάστησης ή/και των ταξινομημένων τύπων κάλυψης γης, τα οποία στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για την παρακολούθηση της αναβλάστησης του ορυχείου. Επιπλέον, οι τεχνικές τηλεπισκόπησης έχουν εφαρμοστεί για την αξιολόγηση της αποκατάστασης και της αναβλάστησης σε τοποθεσίες ορυχείων σε όλο τον κόσμο, όπως στην Αυστραλία, τη Βραζιλία, την Κίνα, την Ευρώπη και τις ΗΠΑ. Αν και έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στην αξιολόγηση βάσει τηλεπισκόπησης της αναβλάστησης του ορυχείου και της οικολογικής αποκατάστασης στον Καναδά, οι περισσότερες από τις αξιολογήσεις επικεντρώθηκαν μόνο στη συμπεριφορά ανάκτησης και αναβλάστησης σε μία τοποθεσία ορυχείου. Υπάρχει έλλειψη πληροφοριών σχετικά με το πόσο διαφορετικά συμπεριφέρθηκε η ανάκτηση του τοπίου σε διαφορετικές τοποθεσίες, έτσι, η παρούσα μελέτη χρησιμοποιεί τεχνικές τηλεπισκόπησης για να εξετάσει την αλλαγή της κάλυψης της βλάστησης στο χώρο και το χρόνο σε πολλαπλές τοποθεσίες ορυχείων σε ολόκληρο τον Καναδά.

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Τοποθεσίες εξόρυξης '''

Η παρούσα μελέτη συγκρίνει την απόδοση των ανακτημένων τοποθεσιών ορυχείων στον Καναδά, επιλέγοντας τις ακόλουθες τοποθεσίες ορυχείων μετά το κλείσιμο: Pine Point Mine στα βορειοδυτικά εδάφη του Καναδά, Wapisiw Lookout, Gateway Hill, Highmont στη Βρετανική Κολομβία, Stanrock στο Οντάριο και Clinton Creek Mine στο Γιούκον. Το Pine Point Mine ήταν ένα ανοιχτό ορυχείο μολύβδου-ψευδάργυρου με έδρα το Βανκούβερ του Καναδά. Οι εργασίες εξόρυξης ξεκίνησαν το 1964, σταμάτησαν το 1988 και καθ' όλη τη διάρκεια των εργασιών, εξορύχθηκαν περίπου 70 εκατομμύρια τόνοι μεταλλεύματος. Η περιοχή διαχείρησης απορριμάτων ήταν περίπου 700 εκτάρια και περιείχε περίπου 54 εκατομμύρια τόνους απορριμμάτων. Με το κλείσιμο του ορυχείου εφαρμόστηκε σχέδιο εγκατάλειψης και αποκατάστασης, ωστόσο, κυριαρχεί μια παθητική αποκατάσταση στο Pine Point Mine τις τελευταίες δεκαετίες. Τόσο το Wapisiw Lookout όσο και το Gateway Hill βρίσκονται στην άμμο πετρελαίου Athabasca στη βόρεια Αλμπέρτα. Η λίμνη απορριμμάτων Wapisiw Lookout (περίπου 220 εκτάρια) ξεκίνησε τη λειτουργία της το 1967 και παροπλίστηκε το 1997. Οι ενεργές προσπάθειες αποκατάστασης περιελάμβαναν κυρίως μεταφορά των απορριμμάτων από τη λίμνη σε διαφορετική τοποθεσία για επεξεργασία, γεμίζοντας τη λίμνη με καθαρή άμμο καλυμμένη με παχύ στρώμα φυτικού εδάφους και φύτευση καλλιεργειών, χόρτων και δέντρων. Κατά την περίοδο 2009–2010, χρειάστηκαν περίπου 65.000 φορτηγά με υλικά αποκατάστασης, ενώ, το 2010 φυτεύτηκαν πάνω από 620.000 δέντρα, θάμνοι και χόρτα. Η τοποθεσία είναι σε μόνιμη αποκατάσταση από το 2010, ενώ, το Gateway Hill που καλύπτει μια έκταση περίπου 104 εκταρίων, χρησιμοποιήθηκε ως απόθεμα υπερκείμενων υλικών για τις εργασίες εξόρυξης αντί για αποθήκευση απορριμμάτων ή άλλων δυνητικά μολυσμένων υλικών. Η περιοχή σταμάτησε τις εξορυκτικές της δραστηριότητες στις αρχές της δεκαετίας του 1980 και αναβλαστήθηκε με δέντρα και θάμνους. Η τοποθεσία Gateway Hill έλαβε επίσημο πιστοποιητικό ανάκτησης από την κυβέρνηση της Αλμπέρτα το 2008 και πιστοποιήθηκε ως δασώδης λοφώδης έκταση (~104 εκτάρια). Τα οικοσυστήματα περιλαμβάνουν κυρίως δάσος ελάτης, δάσος με πεύκα, λιβάδια και υγρότοπους. Η εγκατάσταση αποθήκευσης απορριμμάτων Highmont ανήκει στο ορυχείο Highland Valley Copper στη νότιο-κεντρική Βρετανική Κολομβία. Το Highland Valley Copper είναι ένα από τα μεγαλύτερα ανοιχτά ορυχεία στον κόσμο χαλκού και μολυβδαινίου και το Highmont (περίπου 220 εκτάρια) χρησιμοποιήθηκε για τη διαχείριση των απορριμμάτων από το 1980 έως το 1984. Η αποκατάσταση αυτού του ορυχείου βασίστηκε σε ένα σχέδιο τελικής χρήσης γης, ενώ, η περιοχή Highmont έχει αναβλαστήσει κυρίως μέσω της εγκατάστασης υδρόβιας βλάστησης και των προσπαθειών αναβλάστησης υγροτόπων. Το Stanrock, που ανήκει στην Denison Mines Limited, βρίσκεται στην περιοχή της λίμνης Elliot, στο Οντάριο και η περιοχή αυτής της λίμνης χρησίμευε ως κύρια βάση για την εξόρυξη ουρανίου. Το Stanrock, που καλύπτει μια έκταση περίπου 52 εκταρίων, χρησιμοποιήθηκε για την εναπόθεση απορριμμάτων μεταξύ των μέσων της δεκαετίας του 1950 έως τις αρχές της δεκαετίας του 1960, αν και ο παροπλισμός του ουρανίου ξεκίνησε λίγο μετά το 1992, όταν ολόκληρη η εγκατάσταση εξόρυξης ουρανίου έπαυσε οριστικά τη λειτουργία της. Η παραγωγή οξέος ήταν μια σημαντική περιβαλλοντική ανησυχία που σχετίζεται με τα απορρίμματα ουρανίου, ωστόσο, δεδομένου ότι η τελευταία εναπόθεση απορριμμάτων στο Stanrock συνέβη στις αρχές της δεκαετίας του 1960, σχεδόν κανένας αντιδραστικός πυρίτης δεν παρέμεινε στο επιφανειακό στρώμα των απορριμμάτων στις αρχές της δεκαετίας του 1990, όταν ξεκίνησε ο παροπλισμός. Χρησιμοποιήθηκε προσέγγιση ξηρού καλύμματος για τον παροπλισμό του Stanrock και από το 1998, όταν ολοκληρώθηκαν οι περισσότερες από τις σημαντικές δραστηριότητες ανάκτησης κεφαλαίων, ο παροπλισμός έχει εισέλθει στη φάση μακροπρόθεσμης παρακολούθησης. Το Clinton Creek Mine ανήκε στην Cassiar Asbestos Corporation και λειτουργούσε ως ορυχείο αμιάντου από το 1968 έως το 1978. Η τοποθεσία του ορυχείου βρίσκεται περίπου 100 χλμ. βορειοδυτικά της Ντόσον Σίτι, Γιούκον. Κατά τη διάρκεια των εργασιών του, το μετάλλευμα αμιάντου εξήχθη από τα ανοιχτά κοιλώματα και μεταφέρθηκε σε μύλο για επεξεργασία, ενώ, η αναβλάστηση βρέθηκε ότι συμβαίνει φυσικά (δηλαδή, παθητική βλάστηση) στις χωματερές άχρηστων πετρωμάτων από το κλείσιμο του ορυχείου το 1978. 

''' 2.2. Δεδομένα εικόνων τηλεπισκόπησης '''

Μέχρι στιγμής, οι δορυφόροι Landsat έχουν παράσχει σχεδόν 50 χρόνια συλλογής δεδομένων εικόνων, γεγονός που καθιστά τις εικόνες Landsat πολύ κατάλληλες για μια μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της αλλαγής της επιφάνειας της γης. Πολυχρονικές εικόνες τηλεπισκόπησης που συλλέχθηκαν από τους δορυφόρους Landsat 5 (1984-1993) και Landsat 8 (1993 έως σήμερα) χρησιμοποιούνται για την ποσοτικοποίηση της αλλαγής της κάλυψης της γης και την έκταση της βλάστησης στις στοχευόμενες τοποθεσίες ορυχείων. Οι εικόνες Landsat 5 και Landsat 8 για κάθε τοποθεσία ορυχείου, λήφθηκαν από τη βάση δεδομένων Earth Explorer του Γεωλογικού Ινστιτούτου των Ηνωμένων Πολιτειών. Τελικά, λήφθηκαν περίπου 25 έως 38 εικόνες Landsat μεταξύ του 1984 (ή του αντίστοιχου έτους κλεισίματος όταν ήταν αργότερα από το 1984) και του 2021 για κάθε τοποθεσία. Πραγματοποιείται μια δέσμη προεπεξεργασίας των ληφθέντων εικόνων Landsat και κατά την προεπεξεργασία, το εργαλείο διαχείρισης σύνθετων ζωνών χρησιμοποιείται για τη δημιουργία των σύνθετων εικόνων, οι οποίες αποκόπτονται στην αντίστοιχη περιοχή ενδιαφέροντος της τοποθεσίας ορυχείου.

''' 2.3. Μέθοδος Ανάλυσης '''

Πραγματοποιείται η ανάλυση Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). Το NDVI είναι ένα ποσοτικό μέτρο της αφθονίας και του σθένους της βλάστησης και υπολογίζεται σε κάθε εικονοστοιχείο εικόνας. 

<center> ''' NDVI=(Bnir - Bred)/(Bnir + Bred), (1) ''' </center>

όπου, το Bnir και το Bred υποδηλώνουν τις τιμές ανάκλασης από τις φασματικές ζώνες κοντά στο υπέρυθρο και το κόκκινο, αντίστοιχα. Το NDVI κυμαίνεται από -1 έως 1. Ένα υψηλότερο NDVI υποδηλώνει περισσότερη ζωντανή πράσινη βλάστηση. Για κάθε τοποθεσία ορυχείου, οι χρονικές διακυμάνσεις των τιμών NDVI κατά μέσο όρο προέρχονται από τις εικόνες Landsat. Στη συνέχεια, εφαρμόζεται μια γραμμική παλινδρόμηση που βασίζεται στη μέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων για να ποσοτικοποιηθεί η τάση αλλαγής της κάλυψης της βλάστησης με την πάροδο του χρόνου.

Για κάθε τοποθεσία, οι εικόνες από τα έτη 1984 (ή το έτος κλεισίματος της τοποθεσίας όταν ήταν μεταγενέστερο του 1984) και το 2021 ταξινομήθηκαν σε διαφορετικές κατηγορίες κάλυψης γης χρησιμοποιώντας τη μέθοδο του τυχαίου δάσους. Δεδομένου ενός έτους ταξινόμησης, οι εικόνες ανάκλασης επιφάνειας Landsat από τον Ιούνιο έως τον Σεπτέμβριο του έτους συντέθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή του χάρτη ταξινόμησης με βάση τη μέθοδο της διάμεσης σύνθεσης. Έξι δείκτες συμπεριλαμβανομένου NDVI, κανονικοποιημένης αναλογίας καύσης (NBR), κανονικοποιημένης διαφοράς δείκτη υγρασίας (NDMI), πρασινάδας καπακιού (TCG), φωτεινότητας καπακιού φούντας (TCB) και υγρασίας καπακιού φούντας (TCW) προήλθαν από τη σύνθετη εικόνα και στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για την τυχαία ταξινόμηση δασών. Τα δείγματα εκπαίδευσης και τα δείγματα επικύρωσης συλλέχθηκαν για κάθε κατηγορία και ο αριθμός των δέντρων που χρησιμοποιήθηκαν για το μοντέλο τυχαίου δάσους είναι 85. Περαιτέρω, πραγματοποιήθηκε ανίχνευση αλλαγής μετά την ταξινόμηση για την παρακολούθηση της αλλαγής χρήσης γης/κάλυψης. Ο Δείκτης Regrowth (RI) υπολογίζεται σε κάθε τοποθεσία μελέτης και είναι ένα μέτρο της έκτασης της ανάκτησης της βλάστησης που προκύπτει από την αποκατάσταση σε μια διαταραγμένη τοποθεσία σε σχέση με μια μη διαταραγμένη τοποθεσία αναφοράς. Το RI υπολογίζεται ως η διαφορά NDVI μεταξύ μιας διαταραγμένης τοποθεσίας ορυχείου (NDVIdisturbed) και της αντίστοιχης μη διαταραγμένης τοποθεσίας αναφοράς (NDVIreference):

<center> ''' RI = NDVIdisturbed - NDVIreference, (2) ''' </center>

Σε κάθε τοποθεσία μελέτης, η περιοχή χωρίς οπτικά αισθητές ανθρωπογενείς διαταραχές επιλέγεται ως η αντίστοιχη τοποθεσία αναφοράς και η χρήση τους είναι ζωτικής σημασίας για την παρακολούθηση του επιπέδου επιτυχίας της αποκατάστασης. Το RI ελαχιστοποιεί τις επιπτώσεις στην εκτίμηση της τάσης NDVI από περιφερειακούς περιβαλλοντικούς παράγοντες (μεταβολές καιρού/κλίματος, υδρολογία, ηλιακή ακτινοβολία, συνθήκες υγρασίας του εδάφους) καθώς αυτοί οι περιβαλλοντικοί παράγοντες αναμένεται να έχουν πολύ παρόμοιες επιπτώσεις στις διαταραγμένες και μη διαταραγμένες περιοχές. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ '''

''' 3.1. Ανάλυση NDVI '''

Ο δείκτης NDVI ήταν ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος δείκτης τηλεπισκόπησης για την αξιολόγηση της αποκατάστασης της περιοχής ορυχείων. Το αρχικό NDVI (πριν από την εκ νέου βλάστηση) είναι τυπικά χαμηλό και καθώς εμφανίζεται η αναγέννηση της βλάστησης, το NDVI, τείνει να αυξάνεται. Ως εκ τούτου, οι τάσεις NDVI μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μετρηθεί εάν η ανάκτηση είναι επιτυχής στην τοποθεσία. Ο NDVI δεν υπολογίζεται όταν δεν είναι διαθέσιμες οι αντίστοιχες εικόνες Landsat χωρίς σύννεφο. Όλες οι τοποθεσίες ορυχείων εμφανίζουν αυξανόμενες τάσεις NDVI αλλά με διαφορετικούς ρυθμούς μεταβολής. Η τοποθεσία Wapisiw Lookout έκλεισε αργότερα από άλλες τοποθεσίες ορυχείων, αλλά παρουσίασε τη μεγαλύτερη αυξητική τάση στο NDVI. Επίσης, παρόλο που το Wapisiw Lookout έγινε ανενεργό το 1997, οι σημαντικές προσπάθειες ανάκτησης και φύτευσης ξεκίνησαν επίσημα μεταξύ 2009 και 2010. Συνεπώς, από το 2009, ο NDVI της τοποθεσίας αυξήθηκε ραγδαία. Ο NDVI του Stanrock έχει τον δεύτερο υψηλότερο ρυθμό ανάπτυξης με την ταχεία αύξηση του NDVI να ξεκινά το 1998–1999 όταν ολοκληρώθηκαν οι σημαντικές δραστηριότητες ανάκτησης κεφαλαίων στην περιοχή. Το Highmont και το Gateway Hill έκλεισαν στις αρχές της δεκαετίας του 1980, νωρίτερα από άλλες τοποθεσίες. Αν και η τοποθεσία Highmont είχε το χαμηλότερο NDVI πριν από την ανάκτηση, έχει εντοπιστεί μια μονότονη και ουσιαστική αυξητική τάση NDVI για την τοποθεσία, λόγω αποτελεσματικού σχεδίου τελικής χρήσης γης. Αντίθετα, η τοποθεσία Gateway Hill είχε το υψηλότερο NDVI πριν από την επαναβλάστηση σε όλες τις περιοχές μελέτης, διότι χρησιμοποιήθηκε ως απόθεμα υπερκείμενων υλικών για τις εργασίες εξόρυξης και όχι ως αποθήκευση απορριμμάτων. Το NDVI του Gateway Hill παρουσίασε ισχυρή ανοδική τάση μέχρι το 2003 και στη συνέχεια παρέμεινε σχετικά σταθερό. Το Pine Point Mine και οι χωματερές πετρωμάτων του Clinton Creek Mine παρουσίασαν συλλογικά τη μικρότερη αλλαγή στο NDVI με την πάροδο του χρόνου, λόγω της παθητικής επαναβλάστησης. Ωστόσο, η αργή αύξηση του NDVI εξακολουθεί να είναι στατιστικά σημαντική. 

''' 3.2. Ταξινόμηση εικόνας και ανίχνευση αλλαγής μετά την ταξινόμηση '''

Για κάθε τοποθεσία, οι εικόνες από το έτος 1984 (ή το έτος κλεισίματος της τοποθεσίας όταν ήταν αργότερα από το 1984) και το παρόν (έτος 2021) ταξινομούνται σε πέντε κατηγορίες κάλυψης γης: δάσος, θαμνώδεις εκτάσεις, λιβάδια, επιφάνεια νερού και γυμνή γη. Η τοποθεσία του ορυχείου Pine Point κατά το κλείσιμό της κυριαρχούνταν από γυμνή γη κι ακόμα και σήμερα, εξακολουθεί να υπάρχει έλλειψη σημαντικής βλάστησης με εξαίρεση, μόνο κάποια περιορισμένα κομμάτια, λόγω της παθητικής επαναβλάστησης. Μια οριακή αύξηση στην περιοχή με βλάστηση είναι σύμφωνη με μια μικρή αλλαγή NDVI και οι δυσμενείς περιβαλλοντικοί παράγοντες, όπως η έλλειψη θρεπτικών ουσιών και υγρασίας και οι υψηλές συγκεντρώσεις αλατιού, μολύβδου και ψευδαργύρου εμπόδισαν περαιτέρω τη βλάστηση στην περιοχή. Το Wapisiw Lookout στο κλείσιμό του κυριαρχούνταν από την επιφάνεια του νερού και το γυμνό έδαφος ή βράχο με περιορισμένη κάλυψη βλάστησης, ενώ η βλάστηση κυριαρχεί στη σύγχρονη τοποθεσία. Η αλλαγή της κάλυψης του εδάφους αποκαλύπτει ξεκάθαρα την ουσιαστική έκταση της βλάστησης, η οποία είναι συνεπής με τους φυτεμένους τύπους βλάστησης το 2010. Ένα μεγάλο κομμάτι γυμνής γης ήταν εμφανές για την τοποθεσία Gateway Hill στο κλείσιμό της, η οποία έχει μετατραπεί σε μεγάλο βαθμό σε μια περιοχή με βλάστηση (που κυριαρχείται από δάση). Εκτός από τη σημαντική αύξηση της έκτασης με βλάστηση, το νέο οδικό δίκτυο έχει επίσης αναπτυχθεί για το Gateway Hill. Το Highmont κυριαρχούνταν από την επιφάνεια του νερού και το γυμνό έδαφος ή βράχο όταν έκλεισε η τοποθεσία το 1984, γεγονός που οδήγησε στο σχεδόν μηδενικό NDVI για την τοποθεσία στο κλείσιμο. Τα κύρια τμήματα της λίμνης απορριμμάτων και των γυμνών εκτάσεων έχουν αναβλαστήσει με χόρτα και δέντρα, αν και η κάλυψη βλάστησης εξακολουθεί να απουσιάζει στο κεντρικό τμήμα της αρχικής λίμνης απορριμμάτων. Στο Stanrock, η γυμνή γη κυριαρχούσε το 1992 από τότε που η τελευταία εναπόθεση απορριμμάτων στην τοποθεσία έγινε στις αρχές της δεκαετίας του 1960. Η ανίχνευση αλλαγής μετά την ταξινόμηση δείχνει ότι το Stanrock είχε βιώσει μια σημαντική αναβλάστηση τα τελευταία 30 χρόνια και η γυμνή γη έχει μετατραπεί σε μεγάλο βαθμό σε φυτική κάλυψη μέσω των δραστηριοτήτων αποκατάστασης. Ωστόσο, τα μικρά γυμνά και υδάτινα επιφανειακά θραύσματα εξακολουθούν να υπάρχουν, λόγω της ύπαρξης υποδομής για την επιφανειακή αποστράγγιση από τα απορρίμματα που παράγουν οξύ. Η αναβλάστηση συνέβη φυσικά πάνω από τις χωματερές βράχων του Clinton Creek. Οι χωματερές βράχων κοντά στη νοτιοδυτική όχθη του Clinton Creek είχαν παραμείνει γυμνές μέχρι το 1984 από το κλείσιμό του στα τέλη της δεκαετίας του 1970. Η φυσική αναβλάστηση εμφανίστηκε μόνο σε ένα μικρό τμήμα των χωματερών τις τελευταίες δεκαετίες, ενώ οι περισσότερες από τις πλαγιές των χωματερών εξακολουθούσαν να στερούνται φυτικής κάλυψης μέχρι το 2021.

''' 3.3. Ανάλυση δείκτη Regrowth '''

Η χρήση του RI βοηθάει στην εκτίμηση του επιπέδου επιτυχίας της επαναβλάστησης. Οι τιμές RI από το έτος κλεισίματος της τοποθεσίας και το έτος 2021 υπολογίζονται και συγκρίνονται μεταξύ των έξι τοποθεσιών ορυχείων. Οι τιμές RI από τα αντίστοιχα έτη κλεισίματος των έξι τοποθεσιών ορυχείων είναι όλες κάτω από το μηδέν. Έτσι, το αρνητικό RI δείχνει ότι οι διαταραχές υπήρχαν για κάθε τοποθεσία στο κλείσιμό της. Ένας πιο αρνητικός RI σημαίνει υψηλότερο βαθμό διαταραχής σε σχέση με την αντίστοιχη μη διαταραγμένη θέση αναφοράς. Η διαδικασία επαναβλάστησης, εάν συμβεί, αναμένεται να αμβλύνει τις διαταραχές και επομένως να αυξήσει τις τιμές RI. Οι τιμές RI είναι κοντά ή λίγο πάνω από το μηδέν για τις παρούσες τοποθεσίες Gateway Hill, Wapisiw Lookout και Highmont που σημαίνει ότι οι συνθήκες κάλυψης της βλάστησης των τριών αυτών τοποθεσιών έχουν ήδη αποκατασταθεί σε επίπεδο που είναι πολύ κοντά ή καλύτερο από την αδιατάρακτη κατάσταση προεξόρυξης. Για την ανακτημένη τοποθεσία Stanrock, αν και παρατηρείται επίσης σημαντική αύξηση στο RI, η τελευταία τιμή RI εξακολουθεί να είναι αρνητική. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι η παρούσα RI εξακολουθεί να είναι αρκετά αρνητική στις δύο περιοχές με παθητική αναβλάστηση (Pine Point και Clinton Creek). Μελέτες δείχνουν ότι η αρχική RI (πριν από την επαναβλάστηση) ήταν αρνητική και στη συνέχεια είχε κλίση προς το μηδέν καθώς η σημαντική αναγέννηση της βλάστησης εμφανίστηκε στην διαταραγμένη περιοχή. Οι τάσεις του RI στις τέσσερις τοποθεσίες με ενεργή αναβλάστηση (Gateway Hill, Wapisiw Lookout, Highmont και Stanrock) συμφωνούσαν καλά με την διαπίστωση, η οποία παρείχε στοιχεία για την αποτελεσματικότητα της εκτίμησης RI.

''' 4. ΣΥΖΗΤΗΣΗ '''

Η βιωσιμότητα των εργασιών εξόρυξης διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην επίτευξη των παγκόσμιων στόχων βιώσιμης ανάπτυξης. Για να προωθηθεί η κατανόηση των βιώσιμων πρακτικών που σχετίζονται με την ανάκτηση τοποθεσιών ορυχείων στον Καναδά, αξιολογούμε τις αλλαγές κάλυψης γης στο χώρο και το χρόνο σε πολλαπλές αποκαταστημένες τοποθεσίες ορυχείων σε ολόκληρο τον Καναδά με βάση πολλαπλές χρονικές εικόνες Landsat. Το NDVI είναι ένας κρίσιμος δείκτης τηλεπισκόπησης για την αποτελεσματική παρακολούθηση της συμπεριφοράς της αναβλάστησης του ορυχείου, π.χ. σύμφωνα με την ανάλυση NDVI, μια περιοχή με ενεργή αναβλάστηση είχε τυπικά μια σημαντική αύξηση στην υγιή βλάστηση χάρη στις καλά σχεδιασμένες βιώσιμες πρακτικές, όπως η προσθήκη φυτικού εδάφους και επανασπορά με διάφορα προσαρμοσμένα φυτικά είδη. Αντίθετα, μια αργή ανάκαμψη της υγείας και της αφθονίας της βλάστησης είναι πολύ πιθανό να συμβεί σε μια τοποθεσία μετά το κλείσιμο του ορυχείου χωρίς να υποστούν σημαντικές προσπάθειες ενεργού βλάστησης. Αυτό είναι σύμφωνο με μια ασθενή αυξητική τάση NDVI που ποσοτικοποιήθηκε για το Pine Point, το οποίο δεν υποβλήθηκε σε σημαντικές προσπάθειες ενεργού αναβλάστησης και περιορίστηκε μόνο με ένα λεπτό μείγμα άμμου και χαλικιού για την πρόληψη της σκόνης. Η υψηλή συγκέντρωση μεταλλικών μολυσματικών ουσιών θα μπορούσε να οδηγήσει σε φυτοτοξικότητα, ανεπάρκειες θρεπτικών ουσιών και κακή υφή του εδάφους, τα οποία δεν ευνόησαν την εγκατάσταση βλάστησης. Παρόμοια αποτελέσματα παρατηρήθηκαν για το παθητικά αναζωογονημένο ορυχείο Clinton Greek Mine στο Yukon και τις τοποθεσίες ορυχείων μολύβδου και ψευδαργύρου στην Κίνα. Η ανίχνευση αλλαγών που προέρχεται από ταξινόμηση δορυφορικών εικόνων είναι επίσης μια σημαντική μέθοδος για την αξιολόγηση της αναβλάστησης του ορυχείου. Οι προκύπτοντες χάρτες ταξινόμησης και ανίχνευσης αλλαγών τεκμηρίωσαν περαιτέρω την αλλαγή της βλάστησης που προέκυψε από την ανάλυση NDVI. Το Wapisiw Lookout και το Gateway Hill έχουν φτάσει ή πλησιάσει την αντίστοιχη χωρητικότητα επαναβλάστησης, ενώ στα Pine Point Mine, Stanrock και Clinton Creek Mine έχουν απομείνει σημαντικά θραύσματα γυμνής γης ή/και υδάτινης επιφάνειας, γεγονός που δείχνει ότι υπάρχει χώρος για περαιτέρω αποκατάσταση της βλάστησης. Ο δείκτης RI παρέχει ένα ποσοτικό μέτρο του επιπέδου αναβλάστησης κι όσο υψηλότερο RI σημαίνει λιγότερες διαταραχές λόγω καλύτερης ανάκτησης βλάστησης. Η ανάλυση RI επιβεβαιώνει ότι οι βιώσιμες πρακτικές που περιλαμβάνουν ενεργητική βλάστηση μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά την ανάκτηση της υγείας και της αφθονίας της βλάστησης σε διαταραγμένες περιοχές εξόρυξης στον Καναδά, επειδή το RI που προκύπτει από μια ενεργή αναβλάστηση ξεπέρασε σημαντικά το RI που βιώνει μόνο μια παθητική βλάστηση. Η αξιολόγηση και παρακολούθηση της ανάκτησης βάσει τηλεπισκόπησης επηρρεάζεται από ορισμένους περιορισμούς. Ένας περιορισμός είναι ότι η χωρική ανάλυση των εικόνων Landsat κατέστησε δύσκολη τη χαρτογράφηση οποιασδήποτε αλλαγής κάλυψης γης σε μικρότερη κλίμακα (<30 m), γι’ αυτό θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν σε συνδυασμό με την επιτόπια έρευνα για να βελτιωθεί η ακρίβεια της αξιολόγησης. Εναλλακτικά, συνιστώνται εικόνες από δορυφόρους πολύ υψηλής χωρικής ανάλυσης. Ένας άλλος περιορισμός είναι ότι η ανίχνευση εικόνων Landsat υπόκειται σε καιρικές συνθήκες, όπως η κάλυψη σύννεφων, η οποία θα μπορούσε να προκαλέσει ορισμένα κενά για τη μακροπρόθεσμη παρακολούθηση. Στο μέλλον, η τηλεπισκόπηση μικροκυμάτων, η οποία είναι λιγότερο επιρρεπής στην κάλυψη σύννεφων, μπορεί να χρησιμοποιηθεί με τις εικόνες Landsat χωρίς σύννεφα για την παροχή καλύτερης χρονικής κάλυψης. 

''' 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης και οι εικόνες Landsat είναι κατάλληλες για μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της ανάκτησης βλάστησης σε τοποθεσίες μετά το κλείσιμο ορυχείων στον Καναδά. Η ενεργός ανάκτηση και βλάστηση είναι μια κρίσιμης σημασίας βιώσιμη πρακτική για το κλείσιμο ενός ορυχείου, ενώ η παθητική αποκατάσταση από μόνη της τυπικά δεν μπορεί να προσφέρει επαρκή ποσοστά αλλαγής κάλυψης γης και έκταση βλάστησης σε μολυσμένες τοποθεσίες. Η ποσοτικοποιημένη συμπεριφορά ανάκτησης του ορυχείου και οι σχετικές βιώσιμες πρακτικές θα παρέχουν σημαντική καθοδήγηση για τη βιώσιμη διαχείριση πόρων βάσει στοιχείων στον Καναδά και σε όλο τον κόσμο. 

[[category:Δασοπονία, Δασική διαχείριση]]

Αξιολόγηση βλάστησης βάσει τηλεπισκόπησης σε τοποθεσίες ορυχείων μετά το κλείσιμό τους στον Καναδά

2024-02-16T15:20:04Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Remote Sensing-Based Revegetation Assessment at Post-Closure Mine Sites in Canada''

'''Συγγραφείς: ''' Sam Gordon, Xiaoyong Xu and Yanyu Wang

'''Δημοσιεύθηκε: ''' ''Sustainability 2023, 15, 11287. https://doi.org/10.3390/su151411287''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Βλάστηση

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Αξιολόγηση βλάστησης σε τοποθεσίες ορυχείων του Καναδά '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_CAN_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Λίστα με επιλεγμένες τοποθεσίες ορυχείων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Η γεωγραφική κατανομή των επιλεγμένων θέσεων ορυχείων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' Το NDVI αλλάζει με το έτος (συμπαγείς γραμμές) για τις τοποθεσίες του ορυχείου μελέτης. Οι γραμμές παύλα υποδηλώνουν τις γραμμές τάσης γραμμικής παλινδρόμησης για τις αλλαγές NDVI, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' Οι κλίσεις γραμμικής παλινδρόμησης (ρυθμοί) για το NDVI αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου στις τοποθεσίες μελέτης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1989 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο ορυχείο Pine Point. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1997 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο Wapisiw Lookout. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1984 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνεσυση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στην τοποθεσία Gateway Hill. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο της τοποθεσίας υπερφόρτωσης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1984 και (b) 2021, καθώς και (c) ο εντοπισμός αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο Highmont. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1992 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο Stanrock TMA. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_10.png | thumb| right|'''Εικόνα 10.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1984 και (b) 2021, καθώς και (c) ο εντοπισμός αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο ορυχείο Clinton Creek. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο της μονάδας απορριμάτων βράχου του Clinton Creek, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_11.png | thumb| right|'''Εικόνα 11.''' '' Σχέδιο διασποράς του έτους κλεισίματος της τοποθεσίας έναντι του έτους 2021 όσον αφορά τις τιμές RI στις έξι τοποθεσίες ορυχείων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

Ο τομέας εξόρυξης διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην οικονομία του Καναδά διότι η βιομηχανία εξόρυξης συνεισέφερε το 5% του ονομαστικού ΑΕΠ του Καναδά το 2019 και επίσης υποστηρίζει τεράστια ποσά τοπικής απασχόλησης, ειδικά για αυτόχθονες πληθυσμούς στον Καναδά. Επιπλέον, η απασχόληση που σχετίζεται με την εξόρυξη μπορεί να μεταφέρει περαιτέρω τα οφέλη από την ανάπτυξη των πόρων στην τοπική οικονομία. Ωστόσο, η εξόρυξη θα μπορούσε να προκαλέσει μια σειρά περιβαλλοντικών ζητημάτων (π.χ. διαταραγμένα εδάφη, μόλυνση εδάφους και υδάτινων πόρων και απώλεια βιοποικιλότητας). Η κάλυψη γης και η αλλαγή χρήσης γης θα επηρεάσουν την απορρόφηση άνθρακα, επιδεινώνοντας την υπερθέρμανση του πλανήτη και τους τοπικούς κλιματικούς κινδύνους. Έτσι, μία από τις πιο σημαντικές πρακτικές για τη βιώσιμη ανάπτυξη των εργασιών εξόρυξης είναι η αποκατάσταση της βλάστησης, του εδάφους, της βιοποικιλότητας και των οικολογικών διεργασιών των διαταραγμένων εδαφών σε περιοχές μετά το κλείσιμο ορυχείων, προσφέροντας φυσικά, χημικά και βιολογικά οφέλη σε ανακτημένες τοποθεσίες ορυχείων, οι οποίες μπορούν να ανακτήσουν την ικανότητά τους να αποθηκεύουν άνθρακα και άζωτο. Στον Καναδά, πολλές από τις τοποθεσίες ορυχείων είχαν συνήθως υποστεί αποκατάσταση μέσω φυσικής διαδοχής μετά από διαταραχή, η οποία είναι γνωστή ως αυθόρμητη αναβλάστηση ή παθητική αποκατάσταση. Άλλη μέθοδος είναι η ενεργή αποκατάσταση κατά την οποία σχεδιάζονται και υλοποιούνται έργα αποκατάστασης γης σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο λειτουργίας του οικοσυστήματος, βελτιώνοντας την ακεραιότητα του περιφερειακού οικοσυστήματος και την κοινωνική-οικολογική ανθεκτικότητα. Μια παθητική ανάκτηση μπορεί να αυξήσει τη βιοποικιλότητα και τις οικολογικές λειτουργίες με σχετικά χαμηλές οικονομικές δαπάνες, αλλά συνήθως οδηγεί σε πιο αργή ανάκτηση και λιγότερο έλεγχο των ιδιοτήτων του οικοσυστήματος, ενώ μια ενεργή ανάκτηση και βλάστηση μπορεί να διευκολύνει και να επιταχύνει την ανάκαμψη του τοπίου και του οικοσυστήματος. Η μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της αλλαγής της κάλυψης γης είναι ένα σημαντικό στοιχείο των πρακτικών βιώσιμης αποκατάστασης που σχετίζονται με διαταραχές από τις εξορυκτικές εργασίες. Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αξιολόγηση της έκτασης της αναβλάστησης του ορυχείου, καθώς, η τηλεπισκόπηση προσφέρει τα πλεονεκτήματά της (π.χ. καλύτερη χωρική κάλυψη, λιγότερα εργατικά και οικονομικά έξοδα) στην παρακολούθηση της αλλαγής της κάλυψης γης. Οι μέθοδοι τηλεπισκόπησης χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο για την ανίχνευση της αποκατάστασης και της αναβλάστησης του ορυχείου στον Καναδά τις τελευταίες δεκαετίες. Χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα πολλαπλών χρονικών πολυφασματικών ή υπερφασματικών εικόνων για την εξαγωγή των δεικτών βλάστησης ή/και των ταξινομημένων τύπων κάλυψης γης, τα οποία στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για την παρακολούθηση της αναβλάστησης του ορυχείου. Επιπλέον, οι τεχνικές τηλεπισκόπησης έχουν εφαρμοστεί για την αξιολόγηση της αποκατάστασης και της αναβλάστησης σε τοποθεσίες ορυχείων σε όλο τον κόσμο, όπως στην Αυστραλία, τη Βραζιλία, την Κίνα, την Ευρώπη και τις ΗΠΑ. Αν και έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στην αξιολόγηση βάσει τηλεπισκόπησης της αναβλάστησης του ορυχείου και της οικολογικής αποκατάστασης στον Καναδά, οι περισσότερες από τις αξιολογήσεις επικεντρώθηκαν μόνο στη συμπεριφορά ανάκτησης και αναβλάστησης σε μία τοποθεσία ορυχείου. Υπάρχει έλλειψη πληροφοριών σχετικά με το πόσο διαφορετικά συμπεριφέρθηκε η ανάκτηση του τοπίου σε διαφορετικές τοποθεσίες, έτσι, η παρούσα μελέτη χρησιμοποιεί τεχνικές τηλεπισκόπησης για να εξετάσει την αλλαγή της κάλυψης της βλάστησης στο χώρο και το χρόνο σε πολλαπλές τοποθεσίες ορυχείων σε ολόκληρο τον Καναδά.

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Τοποθεσίες εξόρυξης '''

Η παρούσα μελέτη συγκρίνει την απόδοση των ανακτημένων τοποθεσιών ορυχείων στον Καναδά, επιλέγοντας τις ακόλουθες τοποθεσίες ορυχείων μετά το κλείσιμο: Pine Point Mine στα βορειοδυτικά εδάφη του Καναδά, Wapisiw Lookout, Gateway Hill, Highmont στη Βρετανική Κολομβία, Stanrock στο Οντάριο και Clinton Creek Mine στο Γιούκον. Το Pine Point Mine ήταν ένα ανοιχτό ορυχείο μολύβδου-ψευδάργυρου με έδρα το Βανκούβερ του Καναδά. Οι εργασίες εξόρυξης ξεκίνησαν το 1964, σταμάτησαν το 1988 και καθ' όλη τη διάρκεια των εργασιών, εξορύχθηκαν περίπου 70 εκατομμύρια τόνοι μεταλλεύματος. Η περιοχή διαχείρησης απορριμάτων ήταν περίπου 700 εκτάρια και περιείχε περίπου 54 εκατομμύρια τόνους απορριμμάτων. Με το κλείσιμο του ορυχείου εφαρμόστηκε σχέδιο εγκατάλειψης και αποκατάστασης, ωστόσο, κυριαρχεί μια παθητική αποκατάσταση στο Pine Point Mine τις τελευταίες δεκαετίες. Τόσο το Wapisiw Lookout όσο και το Gateway Hill βρίσκονται στην άμμο πετρελαίου Athabasca στη βόρεια Αλμπέρτα. Η λίμνη απορριμμάτων Wapisiw Lookout (περίπου 220 εκτάρια) ξεκίνησε τη λειτουργία της το 1967 και παροπλίστηκε το 1997. Οι ενεργές προσπάθειες αποκατάστασης περιελάμβαναν κυρίως μεταφορά των απορριμμάτων από τη λίμνη σε διαφορετική τοποθεσία για επεξεργασία, γεμίζοντας τη λίμνη με καθαρή άμμο καλυμμένη με παχύ στρώμα φυτικού εδάφους και φύτευση καλλιεργειών, χόρτων και δέντρων. Κατά την περίοδο 2009–2010, χρειάστηκαν περίπου 65.000 φορτηγά με υλικά αποκατάστασης, ενώ, το 2010 φυτεύτηκαν πάνω από 620.000 δέντρα, θάμνοι και χόρτα. Η τοποθεσία είναι σε μόνιμη αποκατάσταση από το 2010, ενώ, το Gateway Hill που καλύπτει μια έκταση περίπου 104 εκταρίων, χρησιμοποιήθηκε ως απόθεμα υπερκείμενων υλικών για τις εργασίες εξόρυξης αντί για αποθήκευση απορριμμάτων ή άλλων δυνητικά μολυσμένων υλικών. Η περιοχή σταμάτησε τις εξορυκτικές της δραστηριότητες στις αρχές της δεκαετίας του 1980 και αναβλαστήθηκε με δέντρα και θάμνους. Η τοποθεσία Gateway Hill έλαβε επίσημο πιστοποιητικό ανάκτησης από την κυβέρνηση της Αλμπέρτα το 2008 και πιστοποιήθηκε ως δασώδης λοφώδης έκταση (~104 εκτάρια). Τα οικοσυστήματα περιλαμβάνουν κυρίως δάσος ελάτης, δάσος με πεύκα, λιβάδια και υγρότοπους. Η εγκατάσταση αποθήκευσης απορριμμάτων Highmont ανήκει στο ορυχείο Highland Valley Copper στη νότιο-κεντρική Βρετανική Κολομβία. Το Highland Valley Copper είναι ένα από τα μεγαλύτερα ανοιχτά ορυχεία στον κόσμο χαλκού και μολυβδαινίου και το Highmont (περίπου 220 εκτάρια) χρησιμοποιήθηκε για τη διαχείριση των απορριμμάτων από το 1980 έως το 1984. Η αποκατάσταση αυτού του ορυχείου βασίστηκε σε ένα σχέδιο τελικής χρήσης γης, ενώ, η περιοχή Highmont έχει αναβλαστήσει κυρίως μέσω της εγκατάστασης υδρόβιας βλάστησης και των προσπαθειών αναβλάστησης υγροτόπων. Το Stanrock, που ανήκει στην Denison Mines Limited, βρίσκεται στην περιοχή της λίμνης Elliot, στο Οντάριο και η περιοχή αυτής της λίμνης χρησίμευε ως κύρια βάση για την εξόρυξη ουρανίου. Το Stanrock, που καλύπτει μια έκταση περίπου 52 εκταρίων, χρησιμοποιήθηκε για την εναπόθεση απορριμμάτων μεταξύ των μέσων της δεκαετίας του 1950 έως τις αρχές της δεκαετίας του 1960, αν και ο παροπλισμός του ουρανίου ξεκίνησε λίγο μετά το 1992, όταν ολόκληρη η εγκατάσταση εξόρυξης ουρανίου έπαυσε οριστικά τη λειτουργία της. Η παραγωγή οξέος ήταν μια σημαντική περιβαλλοντική ανησυχία που σχετίζεται με τα απορρίμματα ουρανίου, ωστόσο, δεδομένου ότι η τελευταία εναπόθεση απορριμμάτων στο Stanrock συνέβη στις αρχές της δεκαετίας του 1960, σχεδόν κανένας αντιδραστικός πυρίτης δεν παρέμεινε στο επιφανειακό στρώμα των απορριμμάτων στις αρχές της δεκαετίας του 1990, όταν ξεκίνησε ο παροπλισμός. Χρησιμοποιήθηκε προσέγγιση ξηρού καλύμματος για τον παροπλισμό του Stanrock και από το 1998, όταν ολοκληρώθηκαν οι περισσότερες από τις σημαντικές δραστηριότητες ανάκτησης κεφαλαίων, ο παροπλισμός έχει εισέλθει στη φάση μακροπρόθεσμης παρακολούθησης. Το Clinton Creek Mine ανήκε στην Cassiar Asbestos Corporation και λειτουργούσε ως ορυχείο αμιάντου από το 1968 έως το 1978. Η τοποθεσία του ορυχείου βρίσκεται περίπου 100 χλμ. βορειοδυτικά της Ντόσον Σίτι, Γιούκον. Κατά τη διάρκεια των εργασιών του, το μετάλλευμα αμιάντου εξήχθη από τα ανοιχτά κοιλώματα και μεταφέρθηκε σε μύλο για επεξεργασία, ενώ, η αναβλάστηση βρέθηκε ότι συμβαίνει φυσικά (δηλαδή, παθητική βλάστηση) στις χωματερές άχρηστων πετρωμάτων από το κλείσιμο του ορυχείου το 1978. 

''' 2.2. Δεδομένα εικόνων τηλεπισκόπησης '''

Μέχρι στιγμής, οι δορυφόροι Landsat έχουν παράσχει σχεδόν 50 χρόνια συλλογής δεδομένων εικόνων, γεγονός που καθιστά τις εικόνες Landsat πολύ κατάλληλες για μια μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της αλλαγής της επιφάνειας της γης. Πολυχρονικές εικόνες τηλεπισκόπησης που συλλέχθηκαν από τους δορυφόρους Landsat 5 (1984-1993) και Landsat 8 (1993 έως σήμερα) χρησιμοποιούνται για την ποσοτικοποίηση της αλλαγής της κάλυψης της γης και την έκταση της βλάστησης στις στοχευόμενες τοποθεσίες ορυχείων. Οι εικόνες Landsat 5 και Landsat 8 για κάθε τοποθεσία ορυχείου, λήφθηκαν από τη βάση δεδομένων Earth Explorer του Γεωλογικού Ινστιτούτου των Ηνωμένων Πολιτειών. Τελικά, λήφθηκαν περίπου 25 έως 38 εικόνες Landsat μεταξύ του 1984 (ή του αντίστοιχου έτους κλεισίματος όταν ήταν αργότερα από το 1984) και του 2021 για κάθε τοποθεσία. Πραγματοποιείται μια δέσμη προεπεξεργασίας των ληφθέντων εικόνων Landsat και κατά την προεπεξεργασία, το εργαλείο διαχείρισης σύνθετων ζωνών χρησιμοποιείται για τη δημιουργία των σύνθετων εικόνων, οι οποίες αποκόπτονται στην αντίστοιχη περιοχή ενδιαφέροντος της τοποθεσίας ορυχείου.

''' 2.3. Μέθοδος Ανάλυσης '''

Πραγματοποιείται η ανάλυση Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). Το NDVI είναι ένα ποσοτικό μέτρο της αφθονίας και του σθένους της βλάστησης και υπολογίζεται σε κάθε εικονοστοιχείο εικόνας. 

<center> ''' NDVI=(Bnir - Bred)/(Bnir + Bred), (1) ''' </center>

όπου, το Bnir και το Bred υποδηλώνουν τις τιμές ανάκλασης από τις φασματικές ζώνες κοντά στο υπέρυθρο και το κόκκινο, αντίστοιχα. Το NDVI κυμαίνεται από -1 έως 1. Ένα υψηλότερο NDVI υποδηλώνει περισσότερη ζωντανή πράσινη βλάστηση. Για κάθε τοποθεσία ορυχείου, οι χρονικές διακυμάνσεις των τιμών NDVI κατά μέσο όρο προέρχονται από τις εικόνες Landsat. Στη συνέχεια, εφαρμόζεται μια γραμμική παλινδρόμηση που βασίζεται στη μέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων για να ποσοτικοποιηθεί η τάση αλλαγής της κάλυψης της βλάστησης με την πάροδο του χρόνου.

Για κάθε τοποθεσία, οι εικόνες από τα έτη 1984 (ή το έτος κλεισίματος της τοποθεσίας όταν ήταν μεταγενέστερο του 1984) και το 2021 ταξινομήθηκαν σε διαφορετικές κατηγορίες κάλυψης γης χρησιμοποιώντας τη μέθοδο του τυχαίου δάσους. Δεδομένου ενός έτους ταξινόμησης, οι εικόνες ανάκλασης επιφάνειας Landsat από τον Ιούνιο έως τον Σεπτέμβριο του έτους συντέθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή του χάρτη ταξινόμησης με βάση τη μέθοδο της διάμεσης σύνθεσης. Έξι δείκτες συμπεριλαμβανομένου NDVI, κανονικοποιημένης αναλογίας καύσης (NBR), κανονικοποιημένης διαφοράς δείκτη υγρασίας (NDMI), πρασινάδας καπακιού (TCG), φωτεινότητας καπακιού φούντας (TCB) και υγρασίας καπακιού φούντας (TCW) προήλθαν από τη σύνθετη εικόνα και στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για την τυχαία ταξινόμηση δασών. Τα δείγματα εκπαίδευσης και τα δείγματα επικύρωσης συλλέχθηκαν για κάθε κατηγορία και ο αριθμός των δέντρων που χρησιμοποιήθηκαν για το μοντέλο τυχαίου δάσους είναι 85. Περαιτέρω, πραγματοποιήθηκε ανίχνευση αλλαγής μετά την ταξινόμηση για την παρακολούθηση της αλλαγής χρήσης γης/κάλυψης. Ο Δείκτης Regrowth (RI) υπολογίζεται σε κάθε τοποθεσία μελέτης και είναι ένα μέτρο της έκτασης της ανάκτησης της βλάστησης που προκύπτει από την αποκατάσταση σε μια διαταραγμένη τοποθεσία σε σχέση με μια μη διαταραγμένη τοποθεσία αναφοράς. Το RI υπολογίζεται ως η διαφορά NDVI μεταξύ μιας διαταραγμένης τοποθεσίας ορυχείου (NDVIdisturbed) και της αντίστοιχης μη διαταραγμένης τοποθεσίας αναφοράς (NDVIreference):

<center> ''' RI = NDVIdisturbed - NDVIreference, (2) ''' </center>

Σε κάθε τοποθεσία μελέτης, η περιοχή χωρίς οπτικά αισθητές ανθρωπογενείς διαταραχές επιλέγεται ως η αντίστοιχη τοποθεσία αναφοράς και η χρήση τους είναι ζωτικής σημασίας για την παρακολούθηση του επιπέδου επιτυχίας της αποκατάστασης. Το RI ελαχιστοποιεί τις επιπτώσεις στην εκτίμηση της τάσης NDVI από περιφερειακούς περιβαλλοντικούς παράγοντες (μεταβολές καιρού/κλίματος, υδρολογία, ηλιακή ακτινοβολία, συνθήκες υγρασίας του εδάφους) καθώς αυτοί οι περιβαλλοντικοί παράγοντες αναμένεται να έχουν πολύ παρόμοιες επιπτώσεις στις διαταραγμένες και μη διαταραγμένες περιοχές. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ '''

''' 3.1. Ανάλυση NDVI '''

Ο δείκτης NDVI ήταν ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος δείκτης τηλεπισκόπησης για την αξιολόγηση της αποκατάστασης της περιοχής ορυχείων. Το αρχικό NDVI (πριν από την εκ νέου βλάστηση) είναι τυπικά χαμηλό και καθώς εμφανίζεται η αναγέννηση της βλάστησης, το NDVI, τείνει να αυξάνεται. Ως εκ τούτου, οι τάσεις NDVI μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μετρηθεί εάν η ανάκτηση είναι επιτυχής στην τοποθεσία. Ο NDVI δεν υπολογίζεται όταν δεν είναι διαθέσιμες οι αντίστοιχες εικόνες Landsat χωρίς σύννεφο. Όλες οι τοποθεσίες ορυχείων εμφανίζουν αυξανόμενες τάσεις NDVI αλλά με διαφορετικούς ρυθμούς μεταβολής. Η τοποθεσία Wapisiw Lookout έκλεισε αργότερα από άλλες τοποθεσίες ορυχείων, αλλά παρουσίασε τη μεγαλύτερη αυξητική τάση στο NDVI. Επίσης, παρόλο που το Wapisiw Lookout έγινε ανενεργό το 1997, οι σημαντικές προσπάθειες ανάκτησης και φύτευσης ξεκίνησαν επίσημα μεταξύ 2009 και 2010. Συνεπώς, από το 2009, ο NDVI της τοποθεσίας αυξήθηκε ραγδαία. Ο NDVI του Stanrock έχει τον δεύτερο υψηλότερο ρυθμό ανάπτυξης με την ταχεία αύξηση του NDVI να ξεκινά το 1998–1999 όταν ολοκληρώθηκαν οι σημαντικές δραστηριότητες ανάκτησης κεφαλαίων στην περιοχή. Το Highmont και το Gateway Hill έκλεισαν στις αρχές της δεκαετίας του 1980, νωρίτερα από άλλες τοποθεσίες. Αν και η τοποθεσία Highmont είχε το χαμηλότερο NDVI πριν από την ανάκτηση, έχει εντοπιστεί μια μονότονη και ουσιαστική αυξητική τάση NDVI για την τοποθεσία, λόγω αποτελεσματικού σχεδίου τελικής χρήσης γης. Αντίθετα, η τοποθεσία Gateway Hill είχε το υψηλότερο NDVI πριν από την επαναβλάστηση σε όλες τις περιοχές μελέτης, διότι χρησιμοποιήθηκε ως απόθεμα υπερκείμενων υλικών για τις εργασίες εξόρυξης και όχι ως αποθήκευση απορριμμάτων. Το NDVI του Gateway Hill παρουσίασε ισχυρή ανοδική τάση μέχρι το 2003 και στη συνέχεια παρέμεινε σχετικά σταθερό. Το Pine Point και οι χωματερές πετρωμάτων του ορυχείου Clinton Creek παρουσίασαν συλλογικά τη μικρότερη αλλαγή στο NDVI με την πάροδο του χρόνου,λόγω της παθητικής επαναβλάστησης. Ωστόσο, η αργή αύξηση του NDVI εξακολουθεί να είναι στατιστικά σημαντική. 

''' 3.2. Ταξινόμηση εικόνας και ανίχνευση αλλαγής μετά την ταξινόμηση '''

Για κάθε τοποθεσία, οι εικόνες από το έτος 1984 (ή το έτος κλεισίματος της τοποθεσίας όταν ήταν αργότερα από το 1984) και το παρόν (έτος 2021) ταξινομούνται σε πέντε κατηγορίες κάλυψης γης: δάσος, θαμνώδεις εκτάσεις, λιβάδια, επιφάνεια νερού και γυμνή γη. Η τοποθεσία του ορυχείου Pine Point κατά το κλείσιμό της κυριαρχούνταν από γυμνή γη κι ακόμα και σήμερα, εξακολουθεί να υπάρχει έλλειψη σημαντικής βλάστησης με εξαίρεση, μόνο κάποια περιορισμένα κομμάτια, λόγω της παθητικής επαναβλάστησης. Μια οριακή αύξηση στην περιοχή με βλάστηση είναι σύμφωνη με μια μικρή αλλαγή NDVI και οι δυσμενείς περιβαλλοντικοί παράγοντες, όπως η έλλειψη θρεπτικών ουσιών και υγρασίας και οι υψηλές συγκεντρώσεις αλατιού, μολύβδου και ψευδαργύρου εμπόδισαν περαιτέρω τη βλάστηση στην περιοχή. Το Wapisiw Lookout στο κλείσιμό του κυριαρχούνταν από την επιφάνεια του νερού και το γυμνό έδαφος ή βράχο με περιορισμένη κάλυψη βλάστησης, ενώ η βλάστηση κυριαρχεί στη σύγχρονη τοποθεσία. Η αλλαγή της κάλυψης του εδάφους αποκαλύπτει ξεκάθαρα την ουσιαστική έκταση της βλάστησης, η οποία είναι συνεπής με τους φυτεμένους τύπους βλάστησης το 2010. Ένα μεγάλο κομμάτι γυμνής γης ήταν εμφανές για την τοποθεσία Gateway Hill στο κλείσιμό της, η οποία έχει μετατραπεί σε μεγάλο βαθμό σε μια περιοχή με βλάστηση (που κυριαρχείται από δάση). Εκτός από τη σημαντική αύξηση της έκτασης με βλάστηση, το νέο οδικό δίκτυο έχει επίσης αναπτυχθεί για το Gateway Hill. Το Highmont κυριαρχούνταν από την επιφάνεια του νερού και το γυμνό έδαφος ή βράχο όταν έκλεισε η τοποθεσία το 1984, γεγονός που οδήγησε στο σχεδόν μηδενικό NDVI για την τοποθεσία στο κλείσιμο. Τα κύρια τμήματα της λίμνης απορριμμάτων και των γυμνών εκτάσεων έχουν αναβλαστήσει με χόρτα και δέντρα, αν και η κάλυψη βλάστησης εξακολουθεί να απουσιάζει στο κεντρικό τμήμα της αρχικής λίμνης απορριμμάτων. Στο Stanrock, η γυμνή γη κυριαρχούσε το 1992 από τότε που η τελευταία εναπόθεση απορριμμάτων στην τοποθεσία έγινε στις αρχές της δεκαετίας του 1960. Η ανίχνευση αλλαγής μετά την ταξινόμηση δείχνει ότι το Stanrock είχε βιώσει μια σημαντική αναβλάστηση τα τελευταία 30 χρόνια και η γυμνή γη έχει μετατραπεί σε μεγάλο βαθμό σε φυτική κάλυψη μέσω των δραστηριοτήτων αποκατάστασης. Ωστόσο, τα μικρά γυμνά και υδάτινα επιφανειακά θραύσματα εξακολουθούν να υπάρχουν, λόγω της ύπαρξης υποδομής για την επιφανειακή αποστράγγιση από τα απορρίμματα που παράγουν οξύ. Η αναβλάστηση συνέβη φυσικά πάνω από τις χωματερές βράχων του Clinton Creek. Οι χωματερές βράχων κοντά στη νοτιοδυτική όχθη του Clinton Creek είχαν παραμείνει γυμνές μέχρι το 1984 από το κλείσιμό του στα τέλη της δεκαετίας του 1970. Η φυσική αναβλάστηση εμφανίστηκε μόνο σε ένα μικρό τμήμα των χωματερών τις τελευταίες δεκαετίες, ενώ οι περισσότερες από τις πλαγιές των χωματερών εξακολουθούσαν να στερούνται φυτικής κάλυψης μέχρι το 2021.

''' 3.3. Ανάλυση δείκτη Regrowth '''

Η χρήση του RI βοηθάει στην εκτίμηση του επιπέδου επιτυχίας της επαναβλάστησης. Οι τιμές RI από το έτος κλεισίματος της τοποθεσίας και το έτος 2021 υπολογίζονται και συγκρίνονται μεταξύ των έξι τοποθεσιών ορυχείων. Οι τιμές RI από τα αντίστοιχα έτη κλεισίματος των έξι τοποθεσιών ορυχείων είναι όλες κάτω από το μηδέν. Έτσι, το αρνητικό RI δείχνει ότι οι διαταραχές υπήρχαν για κάθε τοποθεσία στο κλείσιμό της. Ένας πιο αρνητικός RI σημαίνει υψηλότερο βαθμό διαταραχής σε σχέση με την αντίστοιχη μη διαταραγμένη θέση αναφοράς. Η διαδικασία επαναβλάστησης, εάν συμβεί, αναμένεται να αμβλύνει τις διαταραχές και επομένως να αυξήσει τις τιμές RI. Οι τιμές RI είναι κοντά ή λίγο πάνω από το μηδέν για τις παρούσες τοποθεσίες Gateway Hill, Wapisiw Lookout και Highmont που σημαίνει ότι οι συνθήκες κάλυψης της βλάστησης των τριών αυτών τοποθεσιών έχουν ήδη αποκατασταθεί σε επίπεδο που είναι πολύ κοντά ή καλύτερο από την αδιατάρακτη κατάσταση προεξόρυξης. Για την ανακτημένη τοποθεσία Stanrock, αν και παρατηρείται επίσης σημαντική αύξηση στο RI, η τελευταία τιμή RI εξακολουθεί να είναι αρνητική. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι η παρούσα RI εξακολουθεί να είναι αρκετά αρνητική στις δύο περιοχές με παθητική αναβλάστηση (Pine Point και Clinton Creek). Μελέτες δείχνουν ότι η αρχική RI (πριν από την επαναβλάστηση) ήταν αρνητική και στη συνέχεια είχε κλίση προς το μηδέν καθώς η σημαντική αναγέννηση της βλάστησης εμφανίστηκε στην διαταραγμένη περιοχή. Οι τάσεις του RI στις τέσσερις τοποθεσίες με ενεργή αναβλάστηση (Gateway Hill, Wapisiw Lookout, Highmont και Stanrock) συμφωνούσαν καλά με την διαπίστωση, η οποία παρείχε στοιχεία για την αποτελεσματικότητα της εκτίμησης RI.

''' 4. ΣΥΖΗΤΗΣΗ '''

Η βιωσιμότητα των εργασιών εξόρυξης διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην επίτευξη των παγκόσμιων στόχων βιώσιμης ανάπτυξης. Για να προωθηθεί η κατανόηση των βιώσιμων πρακτικών που σχετίζονται με την ανάκτηση τοποθεσιών ορυχείων στον Καναδά, αξιολογούμε τις αλλαγές κάλυψης γης στο χώρο και το χρόνο σε πολλαπλές αποκαταστημένες τοποθεσίες ορυχείων σε ολόκληρο τον Καναδά με βάση πολλαπλές χρονικές εικόνες Landsat. Το NDVI είναι ένας κρίσιμος δείκτης τηλεπισκόπησης για την αποτελεσματική παρακολούθηση της συμπεριφοράς της αναβλάστησης του ορυχείου, π.χ. σύμφωνα με την ανάλυση NDVI, μια περιοχή με ενεργή αναβλάστηση είχε τυπικά μια σημαντική αύξηση στην υγιή βλάστηση χάρη στις καλά σχεδιασμένες βιώσιμες πρακτικές, όπως η προσθήκη φυτικού εδάφους και επανασπορά με διάφορα προσαρμοσμένα φυτικά είδη. Αντίθετα, μια αργή ανάκαμψη της υγείας και της αφθονίας της βλάστησης είναι πολύ πιθανό να συμβεί σε μια τοποθεσία μετά το κλείσιμο του ορυχείου χωρίς να υποστούν σημαντικές προσπάθειες ενεργού βλάστησης. Αυτό είναι σύμφωνο με μια ασθενή αυξητική τάση NDVI που ποσοτικοποιήθηκε για το Pine Point, το οποίο δεν υποβλήθηκε σε σημαντικές προσπάθειες ενεργού αναβλάστησης και περιορίστηκε μόνο με ένα λεπτό μείγμα άμμου και χαλικιού για την πρόληψη της σκόνης. Η υψηλή συγκέντρωση μεταλλικών μολυσματικών ουσιών θα μπορούσε να οδηγήσει σε φυτοτοξικότητα, ανεπάρκειες θρεπτικών ουσιών και κακή υφή του εδάφους, τα οποία δεν ευνόησαν την εγκατάσταση βλάστησης. Παρόμοια αποτελέσματα παρατηρήθηκαν για το παθητικά αναζωογονημένο ορυχείο Clinton Greek Mine στο Yukon και τις τοποθεσίες ορυχείων μολύβδου και ψευδαργύρου στην Κίνα. Η ανίχνευση αλλαγών που προέρχεται από ταξινόμηση δορυφορικών εικόνων είναι επίσης μια σημαντική μέθοδος για την αξιολόγηση της αναβλάστησης του ορυχείου. Οι προκύπτοντες χάρτες ταξινόμησης και ανίχνευσης αλλαγών τεκμηρίωσαν περαιτέρω την αλλαγή της βλάστησης που προέκυψε από την ανάλυση NDVI. Το Wapisiw Lookout και το Gateway Hill έχουν φτάσει ή πλησιάσει την αντίστοιχη χωρητικότητα επαναβλάστησης, ενώ στα Pine Point Mine, Stanrock και Clinton Creek Mine έχουν απομείνει σημαντικά θραύσματα γυμνής γης ή/και υδάτινης επιφάνειας, γεγονός που δείχνει ότι υπάρχει χώρος για περαιτέρω αποκατάσταση της βλάστησης. Ο δείκτης RI παρέχει ένα ποσοτικό μέτρο του επιπέδου αναβλάστησης κι όσο υψηλότερο RI σημαίνει λιγότερες διαταραχές λόγω καλύτερης ανάκτησης βλάστησης. Η ανάλυση RI επιβεβαιώνει ότι οι βιώσιμες πρακτικές που περιλαμβάνουν ενεργητική βλάστηση μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά την ανάκτηση της υγείας και της αφθονίας της βλάστησης σε διαταραγμένες περιοχές εξόρυξης στον Καναδά, επειδή το RI που προκύπτει από μια ενεργή αναβλάστηση ξεπέρασε σημαντικά το RI που βιώνει μόνο μια παθητική βλάστηση. Η αξιολόγηση και παρακολούθηση της ανάκτησης βάσει τηλεπισκόπησης επηρρεάζεται από ορισμένους περιορισμούς. Ένας περιορισμός είναι ότι η χωρική ανάλυση των εικόνων Landsat κατέστησε δύσκολη τη χαρτογράφηση οποιασδήποτε αλλαγής κάλυψης γης σε μικρότερη κλίμακα (<30 m), γι’ αυτό θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν σε συνδυασμό με την επιτόπια έρευνα για να βελτιωθεί η ακρίβεια της αξιολόγησης. Εναλλακτικά, συνιστώνται εικόνες από δορυφόρους πολύ υψηλής χωρικής ανάλυσης. Ένας άλλος περιορισμός είναι ότι η ανίχνευση εικόνων Landsat υπόκειται σε καιρικές συνθήκες, όπως η κάλυψη σύννεφων, η οποία θα μπορούσε να προκαλέσει ορισμένα κενά για τη μακροπρόθεσμη παρακολούθηση. Στο μέλλον, η τηλεπισκόπηση μικροκυμάτων, η οποία είναι λιγότερο επιρρεπής στην κάλυψη σύννεφων, μπορεί να χρησιμοποιηθεί με τις εικόνες Landsat χωρίς σύννεφα για την παροχή καλύτερης χρονικής κάλυψης. 

''' 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης και οι εικόνες Landsat είναι κατάλληλες για μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της ανάκτησης βλάστησης σε τοποθεσίες μετά το κλείσιμο ορυχείων στον Καναδά. Η ενεργός ανάκτηση και βλάστηση είναι μια κρίσιμης σημασίας βιώσιμη πρακτική για το κλείσιμο ενός ορυχείου, ενώ η παθητική αποκατάσταση από μόνη της τυπικά δεν μπορεί να προσφέρει επαρκή ποσοστά αλλαγής κάλυψης γης και έκταση βλάστησης σε μολυσμένες τοποθεσίες. Η ποσοτικοποιημένη συμπεριφορά ανάκτησης του ορυχείου και οι σχετικές βιώσιμες πρακτικές θα παρέχουν σημαντική καθοδήγηση για τη βιώσιμη διαχείριση πόρων βάσει στοιχείων στον Καναδά και σε όλο τον κόσμο. 

[[category:Δασοπονία, Δασική διαχείριση]]

Αξιολόγηση βλάστησης βάσει τηλεπισκόπησης σε τοποθεσίες ορυχείων μετά το κλείσιμό τους στον Καναδά

2024-02-16T15:08:27Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Remote Sensing-Based Revegetation Assessment at Post-Closure Mine Sites in Canada''

'''Συγγραφείς: ''' Sam Gordon, Xiaoyong Xu and Yanyu Wang

'''Δημοσιεύθηκε: ''' ''Sustainability 2023, 15, 11287. https://doi.org/10.3390/su151411287''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Βλάστηση

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Αξιολόγηση βλάστησης σε τοποθεσίες ορυχείων του Καναδά '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_CAN_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Λίστα με επιλεγμένες τοποθεσίες ορυχείων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Η γεωγραφική κατανομή των επιλεγμένων θέσεων ορυχείων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' Το NDVI αλλάζει με το έτος (συμπαγείς γραμμές) για τις τοποθεσίες του ορυχείου μελέτης. Οι γραμμές παύλα υποδηλώνουν τις γραμμές τάσης γραμμικής παλινδρόμησης για τις αλλαγές NDVI, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' Οι κλίσεις γραμμικής παλινδρόμησης (ρυθμοί) για το NDVI αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου στις τοποθεσίες μελέτης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1989 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο ορυχείο Pine Point. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1997 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο Wapisiw Lookout. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1984 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνεσυση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στην τοποθεσία Gateway Hill. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο της τοποθεσίας υπερφόρτωσης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1984 και (b) 2021, καθώς και (c) ο εντοπισμός αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο Highmont. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1992 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο Stanrock TMA. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_10.png | thumb| right|'''Εικόνα 10.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1984 και (b) 2021, καθώς και (c) ο εντοπισμός αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο ορυχείο Clinton Creek. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο της μονάδας απορριμάτων βράχου του Clinton Creek, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_11.png | thumb| right|'''Εικόνα 11.''' '' Σχέδιο διασποράς του έτους κλεισίματος της τοποθεσίας έναντι του έτους 2021 όσον αφορά τις τιμές RI στις έξι τοποθεσίες ορυχείων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

Ο τομέας εξόρυξης διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην οικονομία του Καναδά διότι η βιομηχανία εξόρυξης συνεισέφερε το 5% του ονομαστικού ΑΕΠ του Καναδά το 2019 και επίσης υποστηρίζει τεράστια ποσά τοπικής απασχόλησης, ειδικά για αυτόχθονες πληθυσμούς στον Καναδά. Επιπλέον, η απασχόληση που σχετίζεται με την εξόρυξη μπορεί να μεταφέρει περαιτέρω τα οφέλη από την ανάπτυξη των πόρων στην τοπική οικονομία. Ωστόσο, η εξόρυξη θα μπορούσε να προκαλέσει μια σειρά περιβαλλοντικών ζητημάτων (π.χ. διαταραγμένα εδάφη, μόλυνση εδάφους και υδάτινων πόρων και απώλεια βιοποικιλότητας). Η κάλυψη γης και η αλλαγή χρήσης γης θα επηρεάσουν την απορρόφηση άνθρακα, επιδεινώνοντας την υπερθέρμανση του πλανήτη και τους τοπικούς κλιματικούς κινδύνους. Έτσι, μία από τις πιο σημαντικές πρακτικές για τη βιώσιμη ανάπτυξη των εργασιών εξόρυξης είναι η αποκατάσταση της βλάστησης, του εδάφους, της βιοποικιλότητας και των οικολογικών διεργασιών των διαταραγμένων εδαφών σε περιοχές μετά το κλείσιμο ορυχείων, προσφέροντας φυσικά, χημικά και βιολογικά οφέλη σε ανακτημένες τοποθεσίες ορυχείων, οι οποίες μπορούν να ανακτήσουν την ικανότητά τους να αποθηκεύουν άνθρακα και άζωτο. Στον Καναδά, πολλές από τις τοποθεσίες ορυχείων είχαν συνήθως υποστεί αποκατάσταση μέσω φυσικής διαδοχής μετά από διαταραχή, η οποία είναι γνωστή ως αυθόρμητη αναβλάστηση ή παθητική αποκατάσταση. Άλλη μέθοδος είναι η ενεργή αποκατάσταση κατά την οποία σχεδιάζονται και υλοποιούνται έργα αποκατάστασης γης σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο λειτουργίας του οικοσυστήματος, βελτιώνοντας την ακεραιότητα του περιφερειακού οικοσυστήματος και την κοινωνική-οικολογική ανθεκτικότητα. Μια παθητική ανάκτηση μπορεί να αυξήσει τη βιοποικιλότητα και τις οικολογικές λειτουργίες με σχετικά χαμηλές οικονομικές δαπάνες, αλλά συνήθως οδηγεί σε πιο αργή ανάκτηση και λιγότερο έλεγχο των ιδιοτήτων του οικοσυστήματος, ενώ μια ενεργή ανάκτηση και βλάστηση μπορεί να διευκολύνει και να επιταχύνει την ανάκαμψη του τοπίου και του οικοσυστήματος. Η μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της αλλαγής της κάλυψης γης είναι ένα σημαντικό στοιχείο των πρακτικών βιώσιμης αποκατάστασης που σχετίζονται με διαταραχές από τις εξορυκτικές εργασίες. Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αξιολόγηση της έκτασης της αναβλάστησης του ορυχείου, καθώς, η τηλεπισκόπηση προσφέρει τα πλεονεκτήματά της (π.χ. καλύτερη χωρική κάλυψη, λιγότερα εργατικά και οικονομικά έξοδα) στην παρακολούθηση της αλλαγής της κάλυψης γης. Οι μέθοδοι τηλεπισκόπησης χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο για την ανίχνευση της αποκατάστασης και της αναβλάστησης του ορυχείου στον Καναδά τις τελευταίες δεκαετίες. Χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα πολλαπλών χρονικών πολυφασματικών ή υπερφασματικών εικόνων για την εξαγωγή των δεικτών βλάστησης ή/και των ταξινομημένων τύπων κάλυψης γης, τα οποία στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για την παρακολούθηση της αναβλάστησης του ορυχείου. Επιπλέον, οι τεχνικές τηλεπισκόπησης έχουν εφαρμοστεί για την αξιολόγηση της αποκατάστασης και της αναβλάστησης σε τοποθεσίες ορυχείων σε όλο τον κόσμο, όπως στην Αυστραλία, τη Βραζιλία, την Κίνα, την Ευρώπη και τις ΗΠΑ. Αν και έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στην αξιολόγηση βάσει τηλεπισκόπησης της αναβλάστησης του ορυχείου και της οικολογικής αποκατάστασης στον Καναδά, οι περισσότερες από τις αξιολογήσεις επικεντρώθηκαν μόνο στη συμπεριφορά ανάκτησης και αναβλάστησης σε μία τοποθεσία ορυχείου. Υπάρχει έλλειψη πληροφοριών σχετικά με το πόσο διαφορετικά συμπεριφέρθηκε η ανάκτηση του τοπίου σε διαφορετικές τοποθεσίες, έτσι, η παρούσα μελέτη χρησιμοποιεί τεχνικές τηλεπισκόπησης για να εξετάσει την αλλαγή της κάλυψης της βλάστησης στο χώρο και το χρόνο σε πολλαπλές τοποθεσίες ορυχείων σε ολόκληρο τον Καναδά.

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Τοποθεσίες εξόρυξης '''

Η παρούσα μελέτη συγκρίνει την απόδοση των ανακτημένων τοποθεσιών ορυχείων στον Καναδά, επιλέγοντας τις ακόλουθες τοποθεσίες ορυχείων μετά το κλείσιμο: Pine Point Mine στα βορειοδυτικά εδάφη του Καναδά, Wapisiw Lookout, Gateway Hill, Highmont στη Βρετανική Κολομβία, Stanrock στο Οντάριο και Clinton Creek Mine στο Γιούκον. Το Pine Point Mine ήταν ένα ανοιχτό ορυχείο μολύβδου-ψευδάργυρου με έδρα το Βανκούβερ του Καναδά. Οι εργασίες εξόρυξης ξεκίνησαν το 1964, σταμάτησαν το 1988 και καθ' όλη τη διάρκεια των εργασιών, εξορύχθηκαν περίπου 70 εκατομμύρια τόνοι μεταλλεύματος. Η περιοχή διαχείρησης απορριμάτων ήταν περίπου 700 εκτάρια και περιείχε περίπου 54 εκατομμύρια τόνους απορριμμάτων. Με το κλείσιμο του ορυχείου εφαρμόστηκε σχέδιο εγκατάλειψης και αποκατάστασης, ωστόσο, κυριαρχεί μια παθητική αποκατάσταση στο Pine Point Mine τις τελευταίες δεκαετίες. Τόσο το Wapisiw Lookout όσο και το Gateway Hill βρίσκονται στην άμμο πετρελαίου Athabasca στη βόρεια Αλμπέρτα. Η λίμνη απορριμμάτων Wapisiw Lookout (περίπου 220 εκτάρια) ξεκίνησε τη λειτουργία της το 1967 και παροπλίστηκε το 1997. Οι ενεργές προσπάθειες αποκατάστασης περιελάμβαναν κυρίως μεταφορά των απορριμμάτων από τη λίμνη σε διαφορετική τοποθεσία για επεξεργασία, γεμίζοντας τη λίμνη με καθαρή άμμο καλυμμένη με παχύ στρώμα φυτικού εδάφους και φύτευση καλλιεργειών, χόρτων και δέντρων. Κατά την περίοδο 2009–2010, χρειάστηκαν περίπου 65.000 φορτηγά με υλικά αποκατάστασης, ενώ, το 2010 φυτεύτηκαν πάνω από 620.000 δέντρα, θάμνοι και χόρτα. Η τοποθεσία είναι σε μόνιμη αποκατάσταση από το 2010, ενώ, το Gateway Hill που καλύπτει μια έκταση περίπου 104 εκταρίων, χρησιμοποιήθηκε ως απόθεμα υπερκείμενων υλικών για τις εργασίες εξόρυξης αντί για αποθήκευση απορριμμάτων ή άλλων δυνητικά μολυσμένων υλικών. Η περιοχή σταμάτησε τις εξορυκτικές της δραστηριότητες στις αρχές της δεκαετίας του 1980 και αναβλαστήθηκε με δέντρα και θάμνους. Η τοποθεσία Gateway Hill έλαβε επίσημο πιστοποιητικό ανάκτησης από την κυβέρνηση της Αλμπέρτα το 2008 και πιστοποιήθηκε ως δασώδης λοφώδης έκταση (~104 εκτάρια). Τα οικοσυστήματα περιλαμβάνουν κυρίως δάσος ελάτης, δάσος με πεύκα, λιβάδια και υγρότοπους. Η εγκατάσταση αποθήκευσης απορριμμάτων Highmont ανήκει στο ορυχείο Highland Valley Copper στη νότιο-κεντρική Βρετανική Κολομβία. Το Highland Valley Copper είναι ένα από τα μεγαλύτερα ανοιχτά ορυχεία στον κόσμο χαλκού και μολυβδαινίου και το Highmont (περίπου 220 εκτάρια) χρησιμοποιήθηκε για τη διαχείριση των απορριμμάτων από το 1980 έως το 1984. Η αποκατάσταση αυτού του ορυχείου βασίστηκε σε ένα σχέδιο τελικής χρήσης γης, ενώ, η περιοχή Highmont έχει αναβλαστήσει κυρίως μέσω της εγκατάστασης υδρόβιας βλάστησης και των προσπαθειών αναβλάστησης υγροτόπων. Το Stanrock, που ανήκει στην Denison Mines Limited, βρίσκεται στην περιοχή της λίμνης Elliot, στο Οντάριο και η περιοχή αυτής της λίμνης χρησίμευε ως κύρια βάση για την εξόρυξη ουρανίου. Το Stanrock, που καλύπτει μια έκταση περίπου 52 εκταρίων, χρησιμοποιήθηκε για την εναπόθεση απορριμμάτων μεταξύ των μέσων της δεκαετίας του 1950 έως τις αρχές της δεκαετίας του 1960, αν και ο παροπλισμός του ουρανίου ξεκίνησε λίγο μετά το 1992, όταν ολόκληρη η εγκατάσταση εξόρυξης ουρανίου έπαυσε οριστικά τη λειτουργία της. Η παραγωγή οξέος ήταν μια σημαντική περιβαλλοντική ανησυχία που σχετίζεται με τα απορρίμματα ουρανίου, ωστόσο, δεδομένου ότι η τελευταία εναπόθεση απορριμμάτων στο Stanrock συνέβη στις αρχές της δεκαετίας του 1960, σχεδόν κανένας αντιδραστικός πυρίτης δεν παρέμεινε στο επιφανειακό στρώμα των απορριμμάτων στις αρχές της δεκαετίας του 1990, όταν ξεκίνησε ο παροπλισμός. Χρησιμοποιήθηκε προσέγγιση ξηρού καλύμματος για τον παροπλισμό του Stanrock και από το 1998, όταν ολοκληρώθηκαν οι περισσότερες από τις σημαντικές δραστηριότητες ανάκτησης κεφαλαίων, ο παροπλισμός έχει εισέλθει στη φάση μακροπρόθεσμης παρακολούθησης. Το Clinton Creek Mine ανήκε στην Cassiar Asbestos Corporation και λειτουργούσε ως ορυχείο αμιάντου από το 1968 έως το 1978. Η τοποθεσία του ορυχείου βρίσκεται περίπου 100 χλμ. βορειοδυτικά της Ντόσον Σίτι, Γιούκον. Κατά τη διάρκεια των εργασιών του, το μετάλλευμα αμιάντου εξήχθη από τα ανοιχτά κοιλώματα και μεταφέρθηκε σε μύλο για επεξεργασία, ενώ, η αναβλάστηση βρέθηκε ότι συμβαίνει φυσικά (δηλαδή, παθητική βλάστηση) στις χωματερές άχρηστων πετρωμάτων από το κλείσιμο του ορυχείου το 1978. 

''' 2.2. Δεδομένα εικόνων τηλεπισκόπησης '''

Μέχρι στιγμής, οι δορυφόροι Landsat έχουν παράσχει σχεδόν 50 χρόνια συλλογής δεδομένων εικόνων, γεγονός που καθιστά τις εικόνες Landsat πολύ κατάλληλες για μια μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της αλλαγής της επιφάνειας της γης. Πολυχρονικές εικόνες τηλεπισκόπησης που συλλέχθηκαν από τους δορυφόρους Landsat 5 (1984-1993) και Landsat 8 (1993 έως σήμερα) χρησιμοποιούνται για την ποσοτικοποίηση της αλλαγής της κάλυψης της γης και την έκταση της βλάστησης στις στοχευόμενες τοποθεσίες ορυχείων. Οι εικόνες Landsat 5 και Landsat 8 για κάθε τοποθεσία ορυχείου, λήφθηκαν από τη βάση δεδομένων Earth Explorer του Γεωλογικού Ινστιτούτου των Ηνωμένων Πολιτειών. Τελικά, λήφθηκαν περίπου 25 έως 38 εικόνες Landsat μεταξύ του 1984 (ή του αντίστοιχου έτους κλεισίματος όταν ήταν αργότερα από το 1984) και του 2021 για κάθε τοποθεσία. Πραγματοποιείται μια δέσμη προεπεξεργασίας των ληφθέντων εικόνων Landsat και κατά την προεπεξεργασία, το εργαλείο διαχείρισης σύνθετων ζωνών χρησιμοποιείται για τη δημιουργία των σύνθετων εικόνων, οι οποίες αποκόπτονται στην αντίστοιχη περιοχή ενδιαφέροντος της τοποθεσίας ορυχείου.

''' 2.3. Μέθοδος Ανάλυσης '''

Πραγματοποιείται η ανάλυση Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). Το NDVI είναι ένα ποσοτικό μέτρο της αφθονίας και του σθένους της βλάστησης και υπολογίζεται σε κάθε εικονοστοιχείο εικόνας. 

<center> ''' NDVI=(Bnir - Bred)/(Bnir + Bred), (1) ''' </center>

όπου, το Bnir και το Bred υποδηλώνουν τις τιμές ανάκλασης από τις φασματικές ζώνες κοντά στο υπέρυθρο και το κόκκινο, αντίστοιχα. Το NDVI κυμαίνεται από -1 έως 1. Ένα υψηλότερο NDVI υποδηλώνει περισσότερη ζωντανή πράσινη βλάστηση. Για κάθε τοποθεσία ορυχείου, οι χρονικές διακυμάνσεις των τιμών NDVI κατά μέσο όρο προέρχονται από τις εικόνες Landsat. Στη συνέχεια, εφαρμόζεται μια γραμμική παλινδρόμηση που βασίζεται στη μέθοδο των Ελαχίστων τετραγώνων για να ποσοτικοποιηθεί η τάση αλλαγής της κάλυψης της βλάστησης με την πάροδο του χρόνου.

Για κάθε τοποθεσία, οι εικόνες από τα έτη 1984 (ή το έτος κλεισίματος της τοποθεσίας όταν ήταν μεταγενέστερο του 1984) και το 2021 ταξινομήθηκαν σε διαφορετικές κατηγορίες κάλυψης γης χρησιμοποιώντας τη μέθοδο του τυχαίου δάσους. Δεδομένου ενός έτους ταξινόμησης, οι εικόνες ανάκλασης επιφάνειας Landsat από τον Ιούνιο έως τον Σεπτέμβριο του έτους συντέθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή του χάρτη ταξινόμησης με βάση τη μέθοδο της διάμεσης σύνθεσης. Έξι δείκτες συμπεριλαμβανομένου NDVI, κανονικοποιημένης αναλογίας καύσης (NBR), κανονικοποιημένης διαφοράς δείκτη υγρασίας (NDMI), πρασινάδας καπακιού (TCG), φωτεινότητας καπακιού φούντας (TCB) και υγρασίας καπακιού φούντας (TCW) προήλθαν από τη σύνθετη εικόνα και στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για την τυχαία ταξινόμηση δασών. Τα δείγματα εκπαίδευσης και τα δείγματα επικύρωσης συλλέχθηκαν για κάθε κατηγορία και ο αριθμός των δέντρων που χρησιμοποιήθηκαν για το μοντέλο τυχαίου δάσους είναι 85. Περαιτέρω, πραγματοποιήθηκε ανίχνευση αλλαγής μετά την ταξινόμηση για την παρακολούθηση της αλλαγής χρήσης γης/κάλυψης. Ο Δείκτης Regrowth (RI) υπολογίζεται σε κάθε τοποθεσία μελέτης και είναι ένα μέτρο της έκτασης της ανάκτησης της βλάστησης που προκύπτει από την αποκατάσταση σε μια διαταραγμένη τοποθεσία σε σχέση με μια μη διαταραγμένη τοποθεσία αναφοράς. Το RI υπολογίζεται ως η διαφορά NDVI μεταξύ μιας διαταραγμένης τοποθεσίας ορυχείου (NDVIdisturbed) και της αντίστοιχης μη διαταραγμένης τοποθεσίας αναφοράς (NDVIreference):

<center> ''' RI = NDVIdisturbed - NDVIreference, (2) ''' </center>

Σε κάθε τοποθεσία μελέτης, η περιοχή χωρίς οπτικά αισθητές ανθρωπογενείς διαταραχές επιλέγεται ως η αντίστοιχη τοποθεσία αναφοράς και η χρήση τους είναι ζωτικής σημασίας για την παρακολούθηση του επιπέδου επιτυχίας της αποκατάστασης. Το RI ελαχιστοποιεί τις επιπτώσεις στην εκτίμηση της τάσης NDVI από περιφερειακούς περιβαλλοντικούς παράγοντες (μεταβολές καιρού/κλίματος, υδρολογία, ηλιακή ακτινοβολία, συνθήκες υγρασίας του εδάφους) καθώς αυτοί οι περιβαλλοντικοί παράγοντες αναμένεται να έχουν πολύ παρόμοιες επιπτώσεις στις διαταραγμένες και μη διαταραγμένες περιοχές. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ '''

''' 3.1. Ανάλυση NDVI '''

Ο δείκτης NDVI ήταν ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος δείκτης τηλεπισκόπησης για την αξιολόγηση της αποκατάστασης της περιοχής ορυχείων. Το αρχικό NDVI (πριν από την εκ νέου βλάστηση) είναι τυπικά χαμηλό και καθώς εμφανίζεται η αναγέννηση της βλάστησης, το NDVI, τείνει να αυξάνεται. Ως εκ τούτου, οι τάσεις NDVI μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μετρηθεί εάν η ανάκτηση είναι επιτυχής στην τοποθεσία. Ο NDVI δεν υπολογίζεται όταν δεν είναι διαθέσιμες οι αντίστοιχες εικόνες Landsat χωρίς σύννεφο. Όλες οι τοποθεσίες ορυχείων εμφανίζουν αυξανόμενες τάσεις NDVI αλλά με διαφορετικούς ρυθμούς μεταβολής. Η τοποθεσία Wapisiw Lookout έκλεισε αργότερα από άλλες τοποθεσίες ορυχείων, αλλά παρουσίασε τη μεγαλύτερη αυξητική τάση στο NDVI. Επίσης, παρόλο που το Wapisiw Lookout έγινε ανενεργό το 1997, οι σημαντικές προσπάθειες ανάκτησης και φύτευσης ξεκίνησαν επίσημα μεταξύ 2009 και 2010. Συνεπώς, από το 2009, ο NDVI της τοποθεσίας αυξήθηκε ραγδαία. Ο NDVI του Stanrock έχει τον δεύτερο υψηλότερο ρυθμό ανάπτυξης με την ταχεία αύξηση του NDVI να ξεκινά το 1998–1999 όταν ολοκληρώθηκαν οι σημαντικές δραστηριότητες ανάκτησης κεφαλαίων στην περιοχή. Το Highmont και το Gateway Hill έκλεισαν στις αρχές της δεκαετίας του 1980, νωρίτερα από άλλες τοποθεσίες. Αν και η τοποθεσία Highmont είχε το χαμηλότερο NDVI πριν από την ανάκτηση, έχει εντοπιστεί μια μονότονη και ουσιαστική αυξητική τάση NDVI για την τοποθεσία, λόγω αποτελεσματικού σχεδίου τελικής χρήσης γης. Αντίθετα, η τοποθεσία Gateway Hill είχε το υψηλότερο NDVI πριν από την επαναβλάστηση σε όλες τις περιοχές μελέτης, διότι χρησιμοποιήθηκε ως απόθεμα υπερκείμενων υλικών για τις εργασίες εξόρυξης και όχι ως αποθήκευση απορριμμάτων. Το NDVI του Gateway Hill παρουσίασε ισχυρή ανοδική τάση μέχρι το 2003 και στη συνέχεια παρέμεινε σχετικά σταθερό. Το Pine Point και οι χωματερές πετρωμάτων του ορυχείου Clinton Creek παρουσίασαν συλλογικά τη μικρότερη αλλαγή στο NDVI με την πάροδο του χρόνου,λόγω της παθητικής επαναβλάστησης. Ωστόσο, η αργή αύξηση του NDVI εξακολουθεί να είναι στατιστικά σημαντική. 

''' 3.2. Ταξινόμηση εικόνας και ανίχνευση αλλαγής μετά την ταξινόμηση '''

Για κάθε τοποθεσία, οι εικόνες από το έτος 1984 (ή το έτος κλεισίματος της τοποθεσίας όταν ήταν αργότερα από το 1984) και το παρόν (έτος 2021) ταξινομούνται σε πέντε κατηγορίες κάλυψης γης: δάσος, θαμνώδεις εκτάσεις, λιβάδια, επιφάνεια νερού και γυμνή γη. Η τοποθεσία του ορυχείου Pine Point κατά το κλείσιμό της κυριαρχούνταν από γυμνή γη κι ακόμα και σήμερα, εξακολουθεί να υπάρχει έλλειψη σημαντικής βλάστησης με εξαίρεση, μόνο κάποια περιορισμένα κομμάτια, λόγω της παθητικής επαναβλάστησης. Μια οριακή αύξηση στην περιοχή με βλάστηση είναι σύμφωνη με μια μικρή αλλαγή NDVI και οι δυσμενείς περιβαλλοντικοί παράγοντες, όπως η έλλειψη θρεπτικών ουσιών και υγρασίας και οι υψηλές συγκεντρώσεις αλατιού, μολύβδου και ψευδαργύρου εμπόδισαν περαιτέρω τη βλάστηση στην περιοχή. Το Wapisiw Lookout στο κλείσιμό του κυριαρχούνταν από την επιφάνεια του νερού και το γυμνό έδαφος ή βράχο με περιορισμένη κάλυψη βλάστησης, ενώ η βλάστηση κυριαρχεί στη σύγχρονη τοποθεσία. Η αλλαγή της κάλυψης του εδάφους αποκαλύπτει ξεκάθαρα την ουσιαστική έκταση της βλάστησης, η οποία είναι συνεπής με τους φυτεμένους τύπους βλάστησης το 2010. Ένα μεγάλο κομμάτι γυμνής γης ήταν εμφανές για την τοποθεσία Gateway Hill στο κλείσιμό της, η οποία έχει μετατραπεί σε μεγάλο βαθμό σε μια περιοχή με βλάστηση (που κυριαρχείται από δάση). Εκτός από τη σημαντική αύξηση της έκτασης με βλάστηση, το νέο οδικό δίκτυο έχει επίσης αναπτυχθεί για το Gateway Hill. Το Highmont κυριαρχούνταν από την επιφάνεια του νερού και το γυμνό έδαφος ή βράχο όταν έκλεισε η τοποθεσία το 1984, γεγονός που οδήγησε στο σχεδόν μηδενικό NDVI για την τοποθεσία στο κλείσιμο. Τα κύρια τμήματα της λίμνης απορριμμάτων και των γυμνών εκτάσεων έχουν αναβλαστήσει με χόρτα και δέντρα, αν και η κάλυψη βλάστησης εξακολουθεί να απουσιάζει στο κεντρικό τμήμα της αρχικής λίμνης απορριμμάτων. Στο Stanrock, η γυμνή γη κυριαρχούσε το 1992 από τότε που η τελευταία εναπόθεση απορριμμάτων στην τοποθεσία έγινε στις αρχές της δεκαετίας του 1960. Η ανίχνευση αλλαγής μετά την ταξινόμηση δείχνει ότι το Stanrock είχε βιώσει μια σημαντική αναβλάστηση τα τελευταία 30 χρόνια και η γυμνή γη έχει μετατραπεί σε μεγάλο βαθμό σε φυτική κάλυψη μέσω των δραστηριοτήτων αποκατάστασης. Ωστόσο, τα μικρά γυμνά και υδάτινα επιφανειακά θραύσματα εξακολουθούν να υπάρχουν, λόγω της ύπαρξης υποδομής για την επιφανειακή αποστράγγιση από τα απορρίμματα που παράγουν οξύ. Η αναβλάστηση συνέβη φυσικά πάνω από τις χωματερές βράχων του Clinton Creek. Οι χωματερές βράχων κοντά στη νοτιοδυτική όχθη του Clinton Creek είχαν παραμείνει γυμνές μέχρι το 1984 από το κλείσιμό του στα τέλη της δεκαετίας του 1970. Η φυσική αναβλάστηση εμφανίστηκε μόνο σε ένα μικρό τμήμα των χωματερών τις τελευταίες δεκαετίες, ενώ οι περισσότερες από τις πλαγιές των χωματερών εξακολουθούσαν να στερούνται φυτικής κάλυψης μέχρι το 2021.

''' 3.3. Ανάλυση δείκτη Regrowth '''

Η χρήση του RI βοηθάει στην εκτίμηση του επιπέδου επιτυχίας της επαναβλάστησης. Οι τιμές RI από το έτος κλεισίματος της τοποθεσίας και το έτος 2021 υπολογίζονται και συγκρίνονται μεταξύ των έξι τοποθεσιών ορυχείων. Οι τιμές RI από τα αντίστοιχα έτη κλεισίματος των έξι τοποθεσιών ορυχείων είναι όλες κάτω από το μηδέν. Έτσι, το αρνητικό RI δείχνει ότι οι διαταραχές υπήρχαν για κάθε τοποθεσία στο κλείσιμό της. Ένας πιο αρνητικός RI σημαίνει υψηλότερο βαθμό διαταραχής σε σχέση με την αντίστοιχη μη διαταραγμένη θέση αναφοράς. Η διαδικασία επαναβλάστησης, εάν συμβεί, αναμένεται να αμβλύνει τις διαταραχές και επομένως να αυξήσει τις τιμές RI. Οι τιμές RI είναι κοντά ή λίγο πάνω από το μηδέν για τις παρούσες τοποθεσίες Gateway Hill, Wapisiw Lookout και Highmont που σημαίνει ότι οι συνθήκες κάλυψης της βλάστησης των τριών αυτών τοποθεσιών έχουν ήδη αποκατασταθεί σε επίπεδο που είναι πολύ κοντά ή καλύτερο από την αδιατάρακτη κατάσταση προεξόρυξης. Για την ανακτημένη τοποθεσία Stanrock, αν και παρατηρείται επίσης σημαντική αύξηση στο RI, η τελευταία τιμή RI εξακολουθεί να είναι αρνητική. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι η παρούσα RI εξακολουθεί να είναι αρκετά αρνητική στις δύο περιοχές με παθητική αναβλάστηση (Pine Point και Clinton Creek). Μελέτες δείχνουν ότι η αρχική RI (πριν από την επαναβλάστηση) ήταν αρνητική και στη συνέχεια είχε κλίση προς το μηδέν καθώς η σημαντική αναγέννηση της βλάστησης εμφανίστηκε στην διαταραγμένη περιοχή. Οι τάσεις του RI στις τέσσερις τοποθεσίες με ενεργή αναβλάστηση (Gateway Hill, Wapisiw Lookout, Highmont και Stanrock) συμφωνούσαν καλά με την διαπίστωση, η οποία παρείχε στοιχεία για την αποτελεσματικότητα της εκτίμησης RI.

''' 4. ΣΥΖΗΤΗΣΗ '''

Η βιωσιμότητα των εργασιών εξόρυξης διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην επίτευξη των παγκόσμιων στόχων βιώσιμης ανάπτυξης. Για να προωθηθεί η κατανόηση των βιώσιμων πρακτικών που σχετίζονται με την ανάκτηση τοποθεσιών ορυχείων στον Καναδά, αξιολογούμε τις αλλαγές κάλυψης γης στο χώρο και το χρόνο σε πολλαπλές αποκαταστημένες τοποθεσίες ορυχείων σε ολόκληρο τον Καναδά με βάση πολλαπλές χρονικές εικόνες Landsat. Το NDVI είναι ένας κρίσιμος δείκτης τηλεπισκόπησης για την αποτελεσματική παρακολούθηση της συμπεριφοράς της αναβλάστησης του ορυχείου, π.χ. σύμφωνα με την ανάλυση NDVI, μια περιοχή με ενεργή αναβλάστηση είχε τυπικά μια σημαντική αύξηση στην υγιή βλάστηση χάρη στις καλά σχεδιασμένες βιώσιμες πρακτικές, όπως η προσθήκη φυτικού εδάφους και επανασπορά με διάφορα προσαρμοσμένα φυτικά είδη. Αντίθετα, μια αργή ανάκαμψη της υγείας και της αφθονίας της βλάστησης είναι πολύ πιθανό να συμβεί σε μια τοποθεσία μετά το κλείσιμο του ορυχείου χωρίς να υποστούν σημαντικές προσπάθειες ενεργού βλάστησης. Αυτό είναι σύμφωνο με μια ασθενή αυξητική τάση NDVI που ποσοτικοποιήθηκε για το Pine Point, το οποίο δεν υποβλήθηκε σε σημαντικές προσπάθειες ενεργού αναβλάστησης και περιορίστηκε μόνο με ένα λεπτό μείγμα άμμου και χαλικιού για την πρόληψη της σκόνης. Η υψηλή συγκέντρωση μεταλλικών μολυσματικών ουσιών θα μπορούσε να οδηγήσει σε φυτοτοξικότητα, ανεπάρκειες θρεπτικών ουσιών και κακή υφή του εδάφους, τα οποία δεν ευνόησαν την εγκατάσταση βλάστησης. Παρόμοια αποτελέσματα παρατηρήθηκαν για το παθητικά αναζωογονημένο ορυχείο Clinton Greek Mine στο Yukon και τις τοποθεσίες ορυχείων μολύβδου και ψευδαργύρου στην Κίνα. Η ανίχνευση αλλαγών που προέρχεται από ταξινόμηση δορυφορικών εικόνων είναι επίσης μια σημαντική μέθοδος για την αξιολόγηση της αναβλάστησης του ορυχείου. Οι προκύπτοντες χάρτες ταξινόμησης και ανίχνευσης αλλαγών τεκμηρίωσαν περαιτέρω την αλλαγή της βλάστησης που προέκυψε από την ανάλυση NDVI. Το Wapisiw Lookout και το Gateway Hill έχουν φτάσει ή πλησιάσει την αντίστοιχη χωρητικότητα επαναβλάστησης, ενώ στα Pine Point Mine, Stanrock και Clinton Creek Mine έχουν απομείνει σημαντικά θραύσματα γυμνής γης ή/και υδάτινης επιφάνειας, γεγονός που δείχνει ότι υπάρχει χώρος για περαιτέρω αποκατάσταση της βλάστησης. Ο δείκτης RI παρέχει ένα ποσοτικό μέτρο του επιπέδου αναβλάστησης κι όσο υψηλότερο RI σημαίνει λιγότερες διαταραχές λόγω καλύτερης ανάκτησης βλάστησης. Η ανάλυση RI επιβεβαιώνει ότι οι βιώσιμες πρακτικές που περιλαμβάνουν ενεργητική βλάστηση μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά την ανάκτηση της υγείας και της αφθονίας της βλάστησης σε διαταραγμένες περιοχές εξόρυξης στον Καναδά, επειδή το RI που προκύπτει από μια ενεργή αναβλάστηση ξεπέρασε σημαντικά το RI που βιώνει μόνο μια παθητική βλάστηση. Η αξιολόγηση και παρακολούθηση της ανάκτησης βάσει τηλεπισκόπησης επηρρεάζεται από ορισμένους περιορισμούς. Ένας περιορισμός είναι ότι η χωρική ανάλυση των εικόνων Landsat κατέστησε δύσκολη τη χαρτογράφηση οποιασδήποτε αλλαγής κάλυψης γης σε μικρότερη κλίμακα (<30 m), γι’ αυτό θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν σε συνδυασμό με την επιτόπια έρευνα για να βελτιωθεί η ακρίβεια της αξιολόγησης. Εναλλακτικά, συνιστώνται εικόνες από δορυφόρους πολύ υψηλής χωρικής ανάλυσης. Ένας άλλος περιορισμός είναι ότι η ανίχνευση εικόνων Landsat υπόκειται σε καιρικές συνθήκες, όπως η κάλυψη σύννεφων, η οποία θα μπορούσε να προκαλέσει ορισμένα κενά για τη μακροπρόθεσμη παρακολούθηση. Στο μέλλον, η τηλεπισκόπηση μικροκυμάτων, η οποία είναι λιγότερο επιρρεπής στην κάλυψη σύννεφων, μπορεί να χρησιμοποιηθεί με τις εικόνες Landsat χωρίς σύννεφα για την παροχή καλύτερης χρονικής κάλυψης. 

''' 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης και οι εικόνες Landsat είναι κατάλληλες για μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της ανάκτησης βλάστησης σε τοποθεσίες μετά το κλείσιμο ορυχείων στον Καναδά. Η ενεργός ανάκτηση και βλάστηση είναι μια κρίσιμης σημασίας βιώσιμη πρακτική για το κλείσιμο ενός ορυχείου, ενώ η παθητική αποκατάσταση από μόνη της τυπικά δεν μπορεί να προσφέρει επαρκή ποσοστά αλλαγής κάλυψης γης και έκταση βλάστησης σε μολυσμένες τοποθεσίες. Η ποσοτικοποιημένη συμπεριφορά ανάκτησης του ορυχείου και οι σχετικές βιώσιμες πρακτικές θα παρέχουν σημαντική καθοδήγηση για τη βιώσιμη διαχείριση πόρων βάσει στοιχείων στον Καναδά και σε όλο τον κόσμο. 

[[category:Δασοπονία, Δασική διαχείριση]]

Αξιολόγηση βλάστησης βάσει τηλεπισκόπησης σε τοποθεσίες ορυχείων μετά το κλείσιμό τους στον Καναδά

2024-02-16T15:08:07Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Remote Sensing-Based Revegetation Assessment at Post-Closure Mine Sites in Canada''

'''Συγγραφείς: ''' Sam Gordon, Xiaoyong Xu and Yanyu Wang

'''Δημοσιεύθηκε: ''' ''Sustainability 2023, 15, 11287. https://doi.org/10.3390/su151411287''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Βλάστηση

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Αξιολόγηση βλάστησης σε τοποθεσίες ορυχείων του Καναδά '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_CAN_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Λίστα με επιλεγμένες τοποθεσίες ορυχείων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Η γεωγραφική κατανομή των επιλεγμένων θέσεων ορυχείων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' Το NDVI αλλάζει με το έτος (συμπαγείς γραμμές) για τις τοποθεσίες του ορυχείου μελέτης. Οι γραμμές παύλα υποδηλώνουν τις γραμμές τάσης γραμμικής παλινδρόμησης για τις αλλαγές NDVI, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' Οι κλίσεις γραμμικής παλινδρόμησης (ρυθμοί) για το NDVI αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου στις τοποθεσίες μελέτης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1989 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο ορυχείο Pine Point. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1997 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο Wapisiw Lookout. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1984 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνεσυση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στην τοποθεσία Gateway Hill. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο της τοποθεσίας υπερφόρτωσης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1984 και (b) 2021, καθώς και (c) ο εντοπισμός αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο Highmont. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1992 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο Stanrock TMA. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_10.png | thumb| right|'''Εικόνα 10.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1984 και (b) 2021, καθώς και (c) ο εντοπισμός αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο ορυχείο Clinton Creek. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο της μονάδας απορριμάτων βράχου του Clinton Creek, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_11.png | thumb| right|'''Εικόνα 11.''' '' Σχέδιο διασποράς του έτους κλεισίματος της τοποθεσίας έναντι του έτους 2021 όσον αφορά τις τιμές RI στις έξι τοποθεσίες ορυχείων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

Ο τομέας εξόρυξης διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην οικονομία του Καναδά διότι η βιομηχανία εξόρυξης συνεισέφερε το 5% του ονομαστικού ΑΕΠ του Καναδά το 2019 και επίσης υποστηρίζει τεράστια ποσά τοπικής απασχόλησης, ειδικά για αυτόχθονες πληθυσμούς στον Καναδά. Επιπλέον, η απασχόληση που σχετίζεται με την εξόρυξη μπορεί να μεταφέρει περαιτέρω τα οφέλη από την ανάπτυξη των πόρων στην τοπική οικονομία. Ωστόσο, η εξόρυξη θα μπορούσε να προκαλέσει μια σειρά περιβαλλοντικών ζητημάτων (π.χ. διαταραγμένα εδάφη, μόλυνση εδάφους και υδάτινων πόρων και απώλεια βιοποικιλότητας). Η κάλυψη γης και η αλλαγή χρήσης γης θα επηρεάσουν την απορρόφηση άνθρακα, επιδεινώνοντας την υπερθέρμανση του πλανήτη και τους τοπικούς κλιματικούς κινδύνους. Έτσι, μία από τις πιο σημαντικές πρακτικές για τη βιώσιμη ανάπτυξη των εργασιών εξόρυξης είναι η αποκατάσταση της βλάστησης, του εδάφους, της βιοποικιλότητας και των οικολογικών διεργασιών των διαταραγμένων εδαφών σε περιοχές μετά το κλείσιμο ορυχείων, προσφέροντας φυσικά, χημικά και βιολογικά οφέλη σε ανακτημένες τοποθεσίες ορυχείων, οι οποίες μπορούν να ανακτήσουν την ικανότητά τους να αποθηκεύουν άνθρακα και άζωτο. Στον Καναδά, πολλές από τις τοποθεσίες ορυχείων είχαν συνήθως υποστεί αποκατάσταση μέσω φυσικής διαδοχής μετά από διαταραχή, η οποία είναι γνωστή ως αυθόρμητη αναβλάστηση ή παθητική αποκατάσταση. Άλλη μέθοδος είναι η ενεργή αποκατάσταση κατά την οποία σχεδιάζονται και υλοποιούνται έργα αποκατάστασης γης σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο λειτουργίας του οικοσυστήματος, βελτιώνοντας την ακεραιότητα του περιφερειακού οικοσυστήματος και την κοινωνική-οικολογική ανθεκτικότητα. Μια παθητική ανάκτηση μπορεί να αυξήσει τη βιοποικιλότητα και τις οικολογικές λειτουργίες με σχετικά χαμηλές οικονομικές δαπάνες, αλλά συνήθως οδηγεί σε πιο αργή ανάκτηση και λιγότερο έλεγχο των ιδιοτήτων του οικοσυστήματος, ενώ μια ενεργή ανάκτηση και βλάστηση μπορεί να διευκολύνει και να επιταχύνει την ανάκαμψη του τοπίου και του οικοσυστήματος. Η μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της αλλαγής της κάλυψης γης είναι ένα σημαντικό στοιχείο των πρακτικών βιώσιμης αποκατάστασης που σχετίζονται με διαταραχές από τις εξορυκτικές εργασίες. Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αξιολόγηση της έκτασης της αναβλάστησης του ορυχείου, καθώς, η τηλεπισκόπηση προσφέρει τα πλεονεκτήματά της (π.χ. καλύτερη χωρική κάλυψη, λιγότερα εργατικά και οικονομικά έξοδα) στην παρακολούθηση της αλλαγής της κάλυψης γης. Οι μέθοδοι τηλεπισκόπησης χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο για την ανίχνευση της αποκατάστασης και της αναβλάστησης του ορυχείου στον Καναδά τις τελευταίες δεκαετίες. Χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα πολλαπλών χρονικών πολυφασματικών ή υπερφασματικών εικόνων για την εξαγωγή των δεικτών βλάστησης ή/και των ταξινομημένων τύπων κάλυψης γης, τα οποία στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για την παρακολούθηση της αναβλάστησης του ορυχείου. Επιπλέον, οι τεχνικές τηλεπισκόπησης έχουν εφαρμοστεί για την αξιολόγηση της αποκατάστασης και της αναβλάστησης σε τοποθεσίες ορυχείων σε όλο τον κόσμο, όπως στην Αυστραλία, τη Βραζιλία, την Κίνα, την Ευρώπη και τις ΗΠΑ. Αν και έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στην αξιολόγηση βάσει τηλεπισκόπησης της αναβλάστησης του ορυχείου και της οικολογικής αποκατάστασης στον Καναδά, οι περισσότερες από τις αξιολογήσεις επικεντρώθηκαν μόνο στη συμπεριφορά ανάκτησης και αναβλάστησης σε μία τοποθεσία ορυχείου. Υπάρχει έλλειψη πληροφοριών σχετικά με το πόσο διαφορετικά συμπεριφέρθηκε η ανάκτηση του τοπίου σε διαφορετικές τοποθεσίες, έτσι, η παρούσα μελέτη χρησιμοποιεί τεχνικές τηλεπισκόπησης για να εξετάσει την αλλαγή της κάλυψης της βλάστησης στο χώρο και το χρόνο σε πολλαπλές τοποθεσίες ορυχείων σε ολόκληρο τον Καναδά.

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Τοποθεσίες εξόρυξης '''

Η παρούσα μελέτη συγκρίνει την απόδοση των ανακτημένων τοποθεσιών ορυχείων στον Καναδά, επιλέγοντας τις ακόλουθες τοποθεσίες ορυχείων μετά το κλείσιμο: Pine Point Mine στα βορειοδυτικά εδάφη του Καναδά, Wapisiw Lookout, Gateway Hill, Highmont στη Βρετανική Κολομβία, Stanrock στο Οντάριο και Clinton Creek Mine στο Γιούκον. Το Pine Point Mine ήταν ένα ανοιχτό ορυχείο μολύβδου-ψευδάργυρου με έδρα το Βανκούβερ του Καναδά. Οι εργασίες εξόρυξης ξεκίνησαν το 1964, σταμάτησαν το 1988 και καθ' όλη τη διάρκεια των εργασιών, εξορύχθηκαν περίπου 70 εκατομμύρια τόνοι μεταλλεύματος. Η περιοχή διαχείρησης απορριμάτων ήταν περίπου 700 εκτάρια και περιείχε περίπου 54 εκατομμύρια τόνους απορριμμάτων. Με το κλείσιμο του ορυχείου εφαρμόστηκε σχέδιο εγκατάλειψης και αποκατάστασης, ωστόσο, κυριαρχεί μια παθητική αποκατάσταση στο Pine Point Mine τις τελευταίες δεκαετίες. Τόσο το Wapisiw Lookout όσο και το Gateway Hill βρίσκονται στην άμμο πετρελαίου Athabasca στη βόρεια Αλμπέρτα. Η λίμνη απορριμμάτων Wapisiw Lookout (περίπου 220 εκτάρια) ξεκίνησε τη λειτουργία της το 1967 και παροπλίστηκε το 1997. Οι ενεργές προσπάθειες αποκατάστασης περιελάμβαναν κυρίως μεταφορά των απορριμμάτων από τη λίμνη σε διαφορετική τοποθεσία για επεξεργασία, γεμίζοντας τη λίμνη με καθαρή άμμο καλυμμένη με παχύ στρώμα φυτικού εδάφους και φύτευση καλλιεργειών, χόρτων και δέντρων. Κατά την περίοδο 2009–2010, χρειάστηκαν περίπου 65.000 φορτηγά με υλικά αποκατάστασης, ενώ, το 2010 φυτεύτηκαν πάνω από 620.000 δέντρα, θάμνοι και χόρτα. Η τοποθεσία είναι σε μόνιμη αποκατάσταση από το 2010, ενώ, το Gateway Hill που καλύπτει μια έκταση περίπου 104 εκταρίων, χρησιμοποιήθηκε ως απόθεμα υπερκείμενων υλικών για τις εργασίες εξόρυξης αντί για αποθήκευση απορριμμάτων ή άλλων δυνητικά μολυσμένων υλικών. Η περιοχή σταμάτησε τις εξορυκτικές της δραστηριότητες στις αρχές της δεκαετίας του 1980 και αναβλαστήθηκε με δέντρα και θάμνους. Η τοποθεσία Gateway Hill έλαβε επίσημο πιστοποιητικό ανάκτησης από την κυβέρνηση της Αλμπέρτα το 2008 και πιστοποιήθηκε ως δασώδης λοφώδης έκταση (~104 εκτάρια). Τα οικοσυστήματα περιλαμβάνουν κυρίως δάσος ελάτης, δάσος με πεύκα, λιβάδια και υγρότοπους. Η εγκατάσταση αποθήκευσης απορριμμάτων Highmont ανήκει στο ορυχείο Highland Valley Copper στη νότιο-κεντρική Βρετανική Κολομβία. Το Highland Valley Copper είναι ένα από τα μεγαλύτερα ανοιχτά ορυχεία στον κόσμο χαλκού και μολυβδαινίου και το Highmont (περίπου 220 εκτάρια) χρησιμοποιήθηκε για τη διαχείριση των απορριμμάτων από το 1980 έως το 1984. Η αποκατάσταση αυτού του ορυχείου βασίστηκε σε ένα σχέδιο τελικής χρήσης γης, ενώ, η περιοχή Highmont έχει αναβλαστήσει κυρίως μέσω της εγκατάστασης υδρόβιας βλάστησης και των προσπαθειών αναβλάστησης υγροτόπων. Το Stanrock, που ανήκει στην Denison Mines Limited, βρίσκεται στην περιοχή της λίμνης Elliot , στο Οντάριο και η περιοχή αυτής της λίμνης χρησίμευε ως κύρια βάση για την εξόρυξη ουρανίου. Το Stanrock, που καλύπτει μια έκταση περίπου 52 εκταρίων, χρησιμοποιήθηκε για την εναπόθεση απορριμμάτων μεταξύ των μέσων της δεκαετίας του 1950 έως τις αρχές της δεκαετίας του 1960, αν και ο παροπλισμός του ουρανίου ξεκίνησε λίγο μετά το 1992, όταν ολόκληρη η εγκατάσταση εξόρυξης ουρανίου έπαυσε οριστικά τη λειτουργία της. Η παραγωγή οξέος ήταν μια σημαντική περιβαλλοντική ανησυχία που σχετίζεται με τα απορρίμματα ουρανίου, ωστόσο, δεδομένου ότι η τελευταία εναπόθεση απορριμμάτων στο Stanrock συνέβη στις αρχές της δεκαετίας του 1960, σχεδόν κανένας αντιδραστικός πυρίτης δεν παρέμεινε στο επιφανειακό στρώμα των απορριμμάτων στις αρχές της δεκαετίας του 1990, όταν ξεκίνησε ο παροπλισμός. Χρησιμοποιήθηκε προσέγγιση ξηρού καλύμματος για τον παροπλισμό του Stanrock και από το 1998, όταν ολοκληρώθηκαν οι περισσότερες από τις σημαντικές δραστηριότητες ανάκτησης κεφαλαίων, ο παροπλισμός έχει εισέλθει στη φάση μακροπρόθεσμης παρακολούθησης. Το Clinton Creek Mine ανήκε στην Cassiar Asbestos Corporation και λειτουργούσε ως ορυχείο αμιάντου από το 1968 έως το 1978. Η τοποθεσία του ορυχείου βρίσκεται περίπου 100 χλμ. βορειοδυτικά της Ντόσον Σίτι, Γιούκον. Κατά τη διάρκεια των εργασιών του, το μετάλλευμα αμιάντου εξήχθη από τα ανοιχτά κοιλώματα και μεταφέρθηκε σε μύλο για επεξεργασία, ενώ, η αναβλάστηση βρέθηκε ότι συμβαίνει φυσικά (δηλαδή, παθητική βλάστηση) στις χωματερές άχρηστων πετρωμάτων από το κλείσιμο του ορυχείου το 1978. 

''' 2.2. Δεδομένα εικόνων τηλεπισκόπησης '''

Μέχρι στιγμής, οι δορυφόροι Landsat έχουν παράσχει σχεδόν 50 χρόνια συλλογής δεδομένων εικόνων, γεγονός που καθιστά τις εικόνες Landsat πολύ κατάλληλες για μια μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της αλλαγής της επιφάνειας της γης. Πολυχρονικές εικόνες τηλεπισκόπησης που συλλέχθηκαν από τους δορυφόρους Landsat 5 (1984-1993) και Landsat 8 (1993 έως σήμερα) χρησιμοποιούνται για την ποσοτικοποίηση της αλλαγής της κάλυψης της γης και την έκταση της βλάστησης στις στοχευόμενες τοποθεσίες ορυχείων. Οι εικόνες Landsat 5 και Landsat 8 για κάθε τοποθεσία ορυχείου, λήφθηκαν από τη βάση δεδομένων Earth Explorer του Γεωλογικού Ινστιτούτου των Ηνωμένων Πολιτειών. Τελικά, λήφθηκαν περίπου 25 έως 38 εικόνες Landsat μεταξύ του 1984 (ή του αντίστοιχου έτους κλεισίματος όταν ήταν αργότερα από το 1984) και του 2021 για κάθε τοποθεσία. Πραγματοποιείται μια δέσμη προεπεξεργασίας των ληφθέντων εικόνων Landsat και κατά την προεπεξεργασία, το εργαλείο διαχείρισης σύνθετων ζωνών χρησιμοποιείται για τη δημιουργία των σύνθετων εικόνων, οι οποίες αποκόπτονται στην αντίστοιχη περιοχή ενδιαφέροντος της τοποθεσίας ορυχείου.

''' 2.3. Μέθοδος Ανάλυσης '''

Πραγματοποιείται η ανάλυση Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). Το NDVI είναι ένα ποσοτικό μέτρο της αφθονίας και του σθένους της βλάστησης και υπολογίζεται σε κάθε εικονοστοιχείο εικόνας. 

<center> ''' NDVI=(Bnir - Bred)/(Bnir + Bred), (1) ''' </center>

όπου, το Bnir και το Bred υποδηλώνουν τις τιμές ανάκλασης από τις φασματικές ζώνες κοντά στο υπέρυθρο και το κόκκινο, αντίστοιχα. Το NDVI κυμαίνεται από -1 έως 1. Ένα υψηλότερο NDVI υποδηλώνει περισσότερη ζωντανή πράσινη βλάστηση. Για κάθε τοποθεσία ορυχείου, οι χρονικές διακυμάνσεις των τιμών NDVI κατά μέσο όρο προέρχονται από τις εικόνες Landsat. Στη συνέχεια, εφαρμόζεται μια γραμμική παλινδρόμηση που βασίζεται στη μέθοδο των Ελαχίστων τετραγώνων για να ποσοτικοποιηθεί η τάση αλλαγής της κάλυψης της βλάστησης με την πάροδο του χρόνου.

Για κάθε τοποθεσία, οι εικόνες από τα έτη 1984 (ή το έτος κλεισίματος της τοποθεσίας όταν ήταν μεταγενέστερο του 1984) και το 2021 ταξινομήθηκαν σε διαφορετικές κατηγορίες κάλυψης γης χρησιμοποιώντας τη μέθοδο του τυχαίου δάσους. Δεδομένου ενός έτους ταξινόμησης, οι εικόνες ανάκλασης επιφάνειας Landsat από τον Ιούνιο έως τον Σεπτέμβριο του έτους συντέθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή του χάρτη ταξινόμησης με βάση τη μέθοδο της διάμεσης σύνθεσης. Έξι δείκτες συμπεριλαμβανομένου NDVI, κανονικοποιημένης αναλογίας καύσης (NBR), κανονικοποιημένης διαφοράς δείκτη υγρασίας (NDMI), πρασινάδας καπακιού (TCG), φωτεινότητας καπακιού φούντας (TCB) και υγρασίας καπακιού φούντας (TCW) προήλθαν από τη σύνθετη εικόνα και στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για την τυχαία ταξινόμηση δασών. Τα δείγματα εκπαίδευσης και τα δείγματα επικύρωσης συλλέχθηκαν για κάθε κατηγορία και ο αριθμός των δέντρων που χρησιμοποιήθηκαν για το μοντέλο τυχαίου δάσους είναι 85. Περαιτέρω, πραγματοποιήθηκε ανίχνευση αλλαγής μετά την ταξινόμηση για την παρακολούθηση της αλλαγής χρήσης γης/κάλυψης. Ο Δείκτης Regrowth (RI) υπολογίζεται σε κάθε τοποθεσία μελέτης και είναι ένα μέτρο της έκτασης της ανάκτησης της βλάστησης που προκύπτει από την αποκατάσταση σε μια διαταραγμένη τοποθεσία σε σχέση με μια μη διαταραγμένη τοποθεσία αναφοράς. Το RI υπολογίζεται ως η διαφορά NDVI μεταξύ μιας διαταραγμένης τοποθεσίας ορυχείου (NDVIdisturbed) και της αντίστοιχης μη διαταραγμένης τοποθεσίας αναφοράς (NDVIreference):

<center> ''' RI = NDVIdisturbed - NDVIreference, (2) ''' </center>

Σε κάθε τοποθεσία μελέτης, η περιοχή χωρίς οπτικά αισθητές ανθρωπογενείς διαταραχές επιλέγεται ως η αντίστοιχη τοποθεσία αναφοράς και η χρήση τους είναι ζωτικής σημασίας για την παρακολούθηση του επιπέδου επιτυχίας της αποκατάστασης. Το RI ελαχιστοποιεί τις επιπτώσεις στην εκτίμηση της τάσης NDVI από περιφερειακούς περιβαλλοντικούς παράγοντες (μεταβολές καιρού/κλίματος, υδρολογία, ηλιακή ακτινοβολία, συνθήκες υγρασίας του εδάφους) καθώς αυτοί οι περιβαλλοντικοί παράγοντες αναμένεται να έχουν πολύ παρόμοιες επιπτώσεις στις διαταραγμένες και μη διαταραγμένες περιοχές. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ '''

''' 3.1. Ανάλυση NDVI '''

Ο δείκτης NDVI ήταν ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος δείκτης τηλεπισκόπησης για την αξιολόγηση της αποκατάστασης της περιοχής ορυχείων. Το αρχικό NDVI (πριν από την εκ νέου βλάστηση) είναι τυπικά χαμηλό και καθώς εμφανίζεται η αναγέννηση της βλάστησης, το NDVI, τείνει να αυξάνεται. Ως εκ τούτου, οι τάσεις NDVI μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μετρηθεί εάν η ανάκτηση είναι επιτυχής στην τοποθεσία. Ο NDVI δεν υπολογίζεται όταν δεν είναι διαθέσιμες οι αντίστοιχες εικόνες Landsat χωρίς σύννεφο. Όλες οι τοποθεσίες ορυχείων εμφανίζουν αυξανόμενες τάσεις NDVI αλλά με διαφορετικούς ρυθμούς μεταβολής. Η τοποθεσία Wapisiw Lookout έκλεισε αργότερα από άλλες τοποθεσίες ορυχείων, αλλά παρουσίασε τη μεγαλύτερη αυξητική τάση στο NDVI. Επίσης, παρόλο που το Wapisiw Lookout έγινε ανενεργό το 1997, οι σημαντικές προσπάθειες ανάκτησης και φύτευσης ξεκίνησαν επίσημα μεταξύ 2009 και 2010. Συνεπώς, από το 2009, ο NDVI της τοποθεσίας αυξήθηκε ραγδαία. Ο NDVI του Stanrock έχει τον δεύτερο υψηλότερο ρυθμό ανάπτυξης με την ταχεία αύξηση του NDVI να ξεκινά το 1998–1999 όταν ολοκληρώθηκαν οι σημαντικές δραστηριότητες ανάκτησης κεφαλαίων στην περιοχή. Το Highmont και το Gateway Hill έκλεισαν στις αρχές της δεκαετίας του 1980, νωρίτερα από άλλες τοποθεσίες. Αν και η τοποθεσία Highmont είχε το χαμηλότερο NDVI πριν από την ανάκτηση, έχει εντοπιστεί μια μονότονη και ουσιαστική αυξητική τάση NDVI για την τοποθεσία, λόγω αποτελεσματικού σχεδίου τελικής χρήσης γης. Αντίθετα, η τοποθεσία Gateway Hill είχε το υψηλότερο NDVI πριν από την επαναβλάστηση σε όλες τις περιοχές μελέτης, διότι χρησιμοποιήθηκε ως απόθεμα υπερκείμενων υλικών για τις εργασίες εξόρυξης και όχι ως αποθήκευση απορριμμάτων. Το NDVI του Gateway Hill παρουσίασε ισχυρή ανοδική τάση μέχρι το 2003 και στη συνέχεια παρέμεινε σχετικά σταθερό. Το Pine Point και οι χωματερές πετρωμάτων του ορυχείου Clinton Creek παρουσίασαν συλλογικά τη μικρότερη αλλαγή στο NDVI με την πάροδο του χρόνου,λόγω της παθητικής επαναβλάστησης. Ωστόσο, η αργή αύξηση του NDVI εξακολουθεί να είναι στατιστικά σημαντική. 

''' 3.2. Ταξινόμηση εικόνας και ανίχνευση αλλαγής μετά την ταξινόμηση '''

Για κάθε τοποθεσία, οι εικόνες από το έτος 1984 (ή το έτος κλεισίματος της τοποθεσίας όταν ήταν αργότερα από το 1984) και το παρόν (έτος 2021) ταξινομούνται σε πέντε κατηγορίες κάλυψης γης: δάσος, θαμνώδεις εκτάσεις, λιβάδια, επιφάνεια νερού και γυμνή γη. Η τοποθεσία του ορυχείου Pine Point κατά το κλείσιμό της κυριαρχούνταν από γυμνή γη κι ακόμα και σήμερα, εξακολουθεί να υπάρχει έλλειψη σημαντικής βλάστησης με εξαίρεση, μόνο κάποια περιορισμένα κομμάτια, λόγω της παθητικής επαναβλάστησης. Μια οριακή αύξηση στην περιοχή με βλάστηση είναι σύμφωνη με μια μικρή αλλαγή NDVI και οι δυσμενείς περιβαλλοντικοί παράγοντες, όπως η έλλειψη θρεπτικών ουσιών και υγρασίας και οι υψηλές συγκεντρώσεις αλατιού, μολύβδου και ψευδαργύρου εμπόδισαν περαιτέρω τη βλάστηση στην περιοχή. Το Wapisiw Lookout στο κλείσιμό του κυριαρχούνταν από την επιφάνεια του νερού και το γυμνό έδαφος ή βράχο με περιορισμένη κάλυψη βλάστησης, ενώ η βλάστηση κυριαρχεί στη σύγχρονη τοποθεσία. Η αλλαγή της κάλυψης του εδάφους αποκαλύπτει ξεκάθαρα την ουσιαστική έκταση της βλάστησης, η οποία είναι συνεπής με τους φυτεμένους τύπους βλάστησης το 2010. Ένα μεγάλο κομμάτι γυμνής γης ήταν εμφανές για την τοποθεσία Gateway Hill στο κλείσιμό της, η οποία έχει μετατραπεί σε μεγάλο βαθμό σε μια περιοχή με βλάστηση (που κυριαρχείται από δάση). Εκτός από τη σημαντική αύξηση της έκτασης με βλάστηση, το νέο οδικό δίκτυο έχει επίσης αναπτυχθεί για το Gateway Hill. Το Highmont κυριαρχούνταν από την επιφάνεια του νερού και το γυμνό έδαφος ή βράχο όταν έκλεισε η τοποθεσία το 1984, γεγονός που οδήγησε στο σχεδόν μηδενικό NDVI για την τοποθεσία στο κλείσιμο. Τα κύρια τμήματα της λίμνης απορριμμάτων και των γυμνών εκτάσεων έχουν αναβλαστήσει με χόρτα και δέντρα, αν και η κάλυψη βλάστησης εξακολουθεί να απουσιάζει στο κεντρικό τμήμα της αρχικής λίμνης απορριμμάτων. Στο Stanrock, η γυμνή γη κυριαρχούσε το 1992 από τότε που η τελευταία εναπόθεση απορριμμάτων στην τοποθεσία έγινε στις αρχές της δεκαετίας του 1960. Η ανίχνευση αλλαγής μετά την ταξινόμηση δείχνει ότι το Stanrock είχε βιώσει μια σημαντική αναβλάστηση τα τελευταία 30 χρόνια και η γυμνή γη έχει μετατραπεί σε μεγάλο βαθμό σε φυτική κάλυψη μέσω των δραστηριοτήτων αποκατάστασης. Ωστόσο, τα μικρά γυμνά και υδάτινα επιφανειακά θραύσματα εξακολουθούν να υπάρχουν, λόγω της ύπαρξης υποδομής για την επιφανειακή αποστράγγιση από τα απορρίμματα που παράγουν οξύ. Η αναβλάστηση συνέβη φυσικά πάνω από τις χωματερές βράχων του Clinton Creek. Οι χωματερές βράχων κοντά στη νοτιοδυτική όχθη του Clinton Creek είχαν παραμείνει γυμνές μέχρι το 1984 από το κλείσιμό του στα τέλη της δεκαετίας του 1970. Η φυσική αναβλάστηση εμφανίστηκε μόνο σε ένα μικρό τμήμα των χωματερών τις τελευταίες δεκαετίες, ενώ οι περισσότερες από τις πλαγιές των χωματερών εξακολουθούσαν να στερούνται φυτικής κάλυψης μέχρι το 2021.

''' 3.3. Ανάλυση δείκτη Regrowth '''

Η χρήση του RI βοηθάει στην εκτίμηση του επιπέδου επιτυχίας της επαναβλάστησης. Οι τιμές RI από το έτος κλεισίματος της τοποθεσίας και το έτος 2021 υπολογίζονται και συγκρίνονται μεταξύ των έξι τοποθεσιών ορυχείων. Οι τιμές RI από τα αντίστοιχα έτη κλεισίματος των έξι τοποθεσιών ορυχείων είναι όλες κάτω από το μηδέν. Έτσι, το αρνητικό RI δείχνει ότι οι διαταραχές υπήρχαν για κάθε τοποθεσία στο κλείσιμό της. Ένας πιο αρνητικός RI σημαίνει υψηλότερο βαθμό διαταραχής σε σχέση με την αντίστοιχη μη διαταραγμένη θέση αναφοράς. Η διαδικασία επαναβλάστησης, εάν συμβεί, αναμένεται να αμβλύνει τις διαταραχές και επομένως να αυξήσει τις τιμές RI. Οι τιμές RI είναι κοντά ή λίγο πάνω από το μηδέν για τις παρούσες τοποθεσίες Gateway Hill, Wapisiw Lookout και Highmont που σημαίνει ότι οι συνθήκες κάλυψης της βλάστησης των τριών αυτών τοποθεσιών έχουν ήδη αποκατασταθεί σε επίπεδο που είναι πολύ κοντά ή καλύτερο από την αδιατάρακτη κατάσταση προεξόρυξης. Για την ανακτημένη τοποθεσία Stanrock, αν και παρατηρείται επίσης σημαντική αύξηση στο RI, η τελευταία τιμή RI εξακολουθεί να είναι αρνητική. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι η παρούσα RI εξακολουθεί να είναι αρκετά αρνητική στις δύο περιοχές με παθητική αναβλάστηση (Pine Point και Clinton Creek). Μελέτες δείχνουν ότι η αρχική RI (πριν από την επαναβλάστηση) ήταν αρνητική και στη συνέχεια είχε κλίση προς το μηδέν καθώς η σημαντική αναγέννηση της βλάστησης εμφανίστηκε στην διαταραγμένη περιοχή. Οι τάσεις του RI στις τέσσερις τοποθεσίες με ενεργή αναβλάστηση (Gateway Hill, Wapisiw Lookout, Highmont και Stanrock) συμφωνούσαν καλά με την διαπίστωση, η οποία παρείχε στοιχεία για την αποτελεσματικότητα της εκτίμησης RI.

''' 4. ΣΥΖΗΤΗΣΗ '''

Η βιωσιμότητα των εργασιών εξόρυξης διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην επίτευξη των παγκόσμιων στόχων βιώσιμης ανάπτυξης. Για να προωθηθεί η κατανόηση των βιώσιμων πρακτικών που σχετίζονται με την ανάκτηση τοποθεσιών ορυχείων στον Καναδά, αξιολογούμε τις αλλαγές κάλυψης γης στο χώρο και το χρόνο σε πολλαπλές αποκαταστημένες τοποθεσίες ορυχείων σε ολόκληρο τον Καναδά με βάση πολλαπλές χρονικές εικόνες Landsat. Το NDVI είναι ένας κρίσιμος δείκτης τηλεπισκόπησης για την αποτελεσματική παρακολούθηση της συμπεριφοράς της αναβλάστησης του ορυχείου, π.χ. σύμφωνα με την ανάλυση NDVI, μια περιοχή με ενεργή αναβλάστηση είχε τυπικά μια σημαντική αύξηση στην υγιή βλάστηση χάρη στις καλά σχεδιασμένες βιώσιμες πρακτικές, όπως η προσθήκη φυτικού εδάφους και επανασπορά με διάφορα προσαρμοσμένα φυτικά είδη. Αντίθετα, μια αργή ανάκαμψη της υγείας και της αφθονίας της βλάστησης είναι πολύ πιθανό να συμβεί σε μια τοποθεσία μετά το κλείσιμο του ορυχείου χωρίς να υποστούν σημαντικές προσπάθειες ενεργού βλάστησης. Αυτό είναι σύμφωνο με μια ασθενή αυξητική τάση NDVI που ποσοτικοποιήθηκε για το Pine Point, το οποίο δεν υποβλήθηκε σε σημαντικές προσπάθειες ενεργού αναβλάστησης και περιορίστηκε μόνο με ένα λεπτό μείγμα άμμου και χαλικιού για την πρόληψη της σκόνης. Η υψηλή συγκέντρωση μεταλλικών μολυσματικών ουσιών θα μπορούσε να οδηγήσει σε φυτοτοξικότητα, ανεπάρκειες θρεπτικών ουσιών και κακή υφή του εδάφους, τα οποία δεν ευνόησαν την εγκατάσταση βλάστησης. Παρόμοια αποτελέσματα παρατηρήθηκαν για το παθητικά αναζωογονημένο ορυχείο Clinton Greek Mine στο Yukon και τις τοποθεσίες ορυχείων μολύβδου και ψευδαργύρου στην Κίνα. Η ανίχνευση αλλαγών που προέρχεται από ταξινόμηση δορυφορικών εικόνων είναι επίσης μια σημαντική μέθοδος για την αξιολόγηση της αναβλάστησης του ορυχείου. Οι προκύπτοντες χάρτες ταξινόμησης και ανίχνευσης αλλαγών τεκμηρίωσαν περαιτέρω την αλλαγή της βλάστησης που προέκυψε από την ανάλυση NDVI. Το Wapisiw Lookout και το Gateway Hill έχουν φτάσει ή πλησιάσει την αντίστοιχη χωρητικότητα επαναβλάστησης, ενώ στα Pine Point Mine, Stanrock και Clinton Creek Mine έχουν απομείνει σημαντικά θραύσματα γυμνής γης ή/και υδάτινης επιφάνειας, γεγονός που δείχνει ότι υπάρχει χώρος για περαιτέρω αποκατάσταση της βλάστησης. Ο δείκτης RI παρέχει ένα ποσοτικό μέτρο του επιπέδου αναβλάστησης κι όσο υψηλότερο RI σημαίνει λιγότερες διαταραχές λόγω καλύτερης ανάκτησης βλάστησης. Η ανάλυση RI επιβεβαιώνει ότι οι βιώσιμες πρακτικές που περιλαμβάνουν ενεργητική βλάστηση μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά την ανάκτηση της υγείας και της αφθονίας της βλάστησης σε διαταραγμένες περιοχές εξόρυξης στον Καναδά, επειδή το RI που προκύπτει από μια ενεργή αναβλάστηση ξεπέρασε σημαντικά το RI που βιώνει μόνο μια παθητική βλάστηση. Η αξιολόγηση και παρακολούθηση της ανάκτησης βάσει τηλεπισκόπησης επηρρεάζεται από ορισμένους περιορισμούς. Ένας περιορισμός είναι ότι η χωρική ανάλυση των εικόνων Landsat κατέστησε δύσκολη τη χαρτογράφηση οποιασδήποτε αλλαγής κάλυψης γης σε μικρότερη κλίμακα (<30 m), γι’ αυτό θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν σε συνδυασμό με την επιτόπια έρευνα για να βελτιωθεί η ακρίβεια της αξιολόγησης. Εναλλακτικά, συνιστώνται εικόνες από δορυφόρους πολύ υψηλής χωρικής ανάλυσης. Ένας άλλος περιορισμός είναι ότι η ανίχνευση εικόνων Landsat υπόκειται σε καιρικές συνθήκες, όπως η κάλυψη σύννεφων, η οποία θα μπορούσε να προκαλέσει ορισμένα κενά για τη μακροπρόθεσμη παρακολούθηση. Στο μέλλον, η τηλεπισκόπηση μικροκυμάτων, η οποία είναι λιγότερο επιρρεπής στην κάλυψη σύννεφων, μπορεί να χρησιμοποιηθεί με τις εικόνες Landsat χωρίς σύννεφα για την παροχή καλύτερης χρονικής κάλυψης. 

''' 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης και οι εικόνες Landsat είναι κατάλληλες για μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της ανάκτησης βλάστησης σε τοποθεσίες μετά το κλείσιμο ορυχείων στον Καναδά. Η ενεργός ανάκτηση και βλάστηση είναι μια κρίσιμης σημασίας βιώσιμη πρακτική για το κλείσιμο ενός ορυχείου, ενώ η παθητική αποκατάσταση από μόνη της τυπικά δεν μπορεί να προσφέρει επαρκή ποσοστά αλλαγής κάλυψης γης και έκταση βλάστησης σε μολυσμένες τοποθεσίες. Η ποσοτικοποιημένη συμπεριφορά ανάκτησης του ορυχείου και οι σχετικές βιώσιμες πρακτικές θα παρέχουν σημαντική καθοδήγηση για τη βιώσιμη διαχείριση πόρων βάσει στοιχείων στον Καναδά και σε όλο τον κόσμο. 

[[category:Δασοπονία, Δασική διαχείριση]]

Αξιολόγηση βλάστησης βάσει τηλεπισκόπησης σε τοποθεσίες ορυχείων μετά το κλείσιμό τους στον Καναδά

2024-02-16T15:05:07Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Remote Sensing-Based Revegetation Assessment at Post-Closure Mine Sites in Canada''

'''Συγγραφείς: ''' Sam Gordon, Xiaoyong Xu and Yanyu Wang

'''Δημοσιεύθηκε: ''' ''Sustainability 2023, 15, 11287. https://doi.org/10.3390/su151411287''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Βλάστηση

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Αξιολόγηση βλάστησης σε τοποθεσίες ορυχείων του Καναδά '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_CAN_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Λίστα με επιλεγμένες τοποθεσίες ορυχείων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Η γεωγραφική κατανομή των επιλεγμένων θέσεων ορυχείων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' Το NDVI αλλάζει με το έτος (συμπαγείς γραμμές) για τις τοποθεσίες του ορυχείου μελέτης. Οι γραμμές παύλα υποδηλώνουν τις γραμμές τάσης γραμμικής παλινδρόμησης για τις αλλαγές NDVI, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' Οι κλίσεις γραμμικής παλινδρόμησης (ρυθμοί) για το NDVI αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου στις τοποθεσίες μελέτης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1989 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο ορυχείο Pine Point. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1997 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο Wapisiw Lookout. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1984 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνεσυση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στην τοποθεσία Gateway Hill. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο της τοποθεσίας υπερφόρτωσης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1984 και (b) 2021, καθώς και (c) ο εντοπισμός αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο Highmont. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1992 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο Stanrock TMA. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_10.png | thumb| right|'''Εικόνα 10.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1984 και (b) 2021, καθώς και (c) ο εντοπισμός αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο ορυχείο Clinton Creek. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο της μονάδας απορριμάτων βράχου του Clinton Creek, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_11.png | thumb| right|'''Εικόνα 11.''' '' Σχέδιο διασποράς του έτους κλεισίματος της τοποθεσίας έναντι του έτους 2021 όσον αφορά τις τιμές RI στις έξι τοποθεσίες ορυχείων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

Ο τομέας εξόρυξης διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην οικονομία του Καναδά διότι η βιομηχανία εξόρυξης συνεισέφερε το 5% του ονομαστικού ΑΕΠ του Καναδά το 2019 και επίσης υποστηρίζει τεράστια ποσά τοπικής απασχόλησης, ειδικά για αυτόχθονες πληθυσμούς στον Καναδά. Επιπλέον, η απασχόληση που σχετίζεται με την εξόρυξη μπορεί να μεταφέρει περαιτέρω τα οφέλη από την ανάπτυξη των πόρων στην τοπική οικονομία. Ωστόσο, η εξόρυξη θα μπορούσε να προκαλέσει μια σειρά περιβαλλοντικών ζητημάτων (π.χ. διαταραγμένα εδάφη, μόλυνση εδάφους και υδάτινων πόρων και απώλεια βιοποικιλότητας). Η κάλυψη γης και η αλλαγή χρήσης γης θα επηρεάσουν την απορρόφηση άνθρακα, επιδεινώνοντας την υπερθέρμανση του πλανήτη και τους τοπικούς κλιματικούς κινδύνους. Έτσι, μία από τις πιο σημαντικές πρακτικές για τη βιώσιμη ανάπτυξη των εργασιών εξόρυξης είναι η αποκατάσταση της βλάστησης, του εδάφους, της βιοποικιλότητας και των οικολογικών διεργασιών των διαταραγμένων εδαφών σε περιοχές μετά το κλείσιμο ορυχείων, προσφέροντας φυσικά, χημικά και βιολογικά οφέλη σε ανακτημένες τοποθεσίες ορυχείων, οι οποίες μπορούν να ανακτήσουν την ικανότητά τους να αποθηκεύουν άνθρακα και άζωτο. Στον Καναδά, πολλές από τις τοποθεσίες ορυχείων είχαν συνήθως υποστεί αποκατάσταση μέσω φυσικής διαδοχής μετά από διαταραχή, η οποία είναι γνωστή ως αυθόρμητη αναβλάστηση ή παθητική αποκατάσταση. Άλλη μέθοδος είναι η ενεργή αποκατάσταση κατά την οποία σχεδιάζονται και υλοποιούνται έργα αποκατάστασης γης σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο λειτουργίας του οικοσυστήματος, βελτιώνοντας την ακεραιότητα του περιφερειακού οικοσυστήματος και την κοινωνική-οικολογική ανθεκτικότητα. Μια παθητική ανάκτηση μπορεί να αυξήσει τη βιοποικιλότητα και τις οικολογικές λειτουργίες με σχετικά χαμηλές οικονομικές δαπάνες, αλλά συνήθως οδηγεί σε πιο αργή ανάκτηση και λιγότερο έλεγχο των ιδιοτήτων του οικοσυστήματος, ενώ μια ενεργή ανάκτηση και βλάστηση μπορεί να διευκολύνει και να επιταχύνει την ανάκαμψη του τοπίου και του οικοσυστήματος. Η μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της αλλαγής της κάλυψης γης είναι ένα σημαντικό στοιχείο των πρακτικών βιώσιμης αποκατάστασης που σχετίζονται με διαταραχές από τις εξορυκτικές εργασίες. Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αξιολόγηση της έκτασης της αναβλάστησης του ορυχείου, καθώς, η τηλεπισκόπηση προσφέρει τα πλεονεκτήματά της (π.χ. καλύτερη χωρική κάλυψη, λιγότερα εργατικά και οικονομικά έξοδα) στην παρακολούθηση της αλλαγής της κάλυψης γης. Οι μέθοδοι τηλεπισκόπησης χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο για την ανίχνευση της αποκατάστασης και της αναβλάστησης του ορυχείου στον Καναδά τις τελευταίες δεκαετίες. Χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα πολλαπλών χρονικών πολυφασματικών ή υπερφασματικών εικόνων για την εξαγωγή των δεικτών βλάστησης ή/και των ταξινομημένων τύπων κάλυψης γης, τα οποία στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για την παρακολούθηση της αναβλάστησης του ορυχείου. Επιπλέον, οι τεχνικές τηλεπισκόπησης έχουν εφαρμοστεί για την αξιολόγηση της αποκατάστασης και της αναβλάστησης σε τοποθεσίες ορυχείων σε όλο τον κόσμο, όπως στην Αυστραλία, τη Βραζιλία, την Κίνα, την Ευρώπη και τις ΗΠΑ. Αν και έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στην αξιολόγηση βάσει τηλεπισκόπησης της αναβλάστησης του ορυχείου και της οικολογικής αποκατάστασης στον Καναδά, οι περισσότερες από τις αξιολογήσεις επικεντρώθηκαν μόνο στη συμπεριφορά ανάκτησης και αναβλάστησης σε μία τοποθεσία ορυχείου. Υπάρχει έλλειψη πληροφοριών σχετικά με το πόσο διαφορετικά συμπεριφέρθηκε η ανάκτηση του τοπίου σε διαφορετικές τοποθεσίες, έτσι, η παρούσα μελέτη χρησιμοποιεί τεχνικές τηλεπισκόπησης για να εξετάσει την αλλαγή της κάλυψης της βλάστησης στο χώρο και το χρόνο σε πολλαπλές τοποθεσίες ορυχείων σε ολόκληρο τον Καναδά.

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Τοποθεσίες εξόρυξης '''

Η παρούσα μελέτη συγκρίνει την απόδοση των ανακτημένων τοποθεσιών ορυχείων στον Καναδά, επιλέγοντας τις ακόλουθες τοποθεσίες ορυχείων μετά το κλείσιμο: Pine Point Mine στα βορειοδυτικά εδάφη του Καναδά, Wapisiw Lookout, Gateway Hill, Highmont στη Βρετανική Κολομβία, Stanrock στο Οντάριο και Clinton Creek Mine στο Γιούκον. Το Pine Point Mine ήταν ένα ανοιχτό ορυχείο μολύβδου-ψευδάργυρου με έδρα το Βανκούβερ του Καναδά. Οι εργασίες εξόρυξης ξεκίνησαν το 1964, σταμάτησαν το 1988 και καθ' όλη τη διάρκεια των εργασιών, εξορύχθηκαν περίπου 70 εκατομμύρια τόνοι μεταλλεύματος. Η περιοχή διαχείρησης απορριμάτων ήταν περίπου 700 εκτάρια και περιείχε περίπου 54 εκατομμύρια τόνους απορριμμάτων. Με το κλείσιμο του ορυχείου εφαρμόστηκε σχέδιο εγκατάλειψης και αποκατάστασης, ωστόσο, κυριαρχεί μια παθητική αποκατάσταση στο Pine Point Mine τις τελευταίες δεκαετίες. Τόσο το Wapisiw Lookout όσο και το Gateway Hill βρίσκονται στην άμμο πετρελαίου Athabasca στη βόρεια Αλμπέρτα. Η λίμνη απορριμμάτων Wapisiw Lookout (περίπου 220 εκτάρια) ξεκίνησε τη λειτουργία της το 1967 και παροπλίστηκε το 1997. Οι ενεργές προσπάθειες αποκατάστασης περιελάμβαναν κυρίως μεταφορά των απορριμμάτων από τη λίμνη σε διαφορετική τοποθεσία για επεξεργασία, γεμίζοντας τη λίμνη με καθαρή άμμο καλυμμένη με παχύ στρώμα φυτικού εδάφους και φύτευση καλλιεργειών, χόρτων και δέντρων. Κατά την περίοδο 2009–2010, χρειάστηκαν περίπου 65.000 φορτηγά με υλικά αποκατάστασης, ενώ, το 2010 φυτεύτηκαν πάνω από 620.000 δέντρα, θάμνοι και χόρτα. Η τοποθεσία είναι σε μόνιμη αποκατάσταση από το 2010, ενώ, το Gateway Hill που καλύπτει μια έκταση περίπου 104 εκταρίων, χρησιμοποιήθηκε ως απόθεμα υπερκείμενων υλικών για τις εργασίες εξόρυξης αντί για αποθήκευση απορριμμάτων ή άλλων δυνητικά μολυσμένων υλικών. Η περιοχή σταμάτησε τις εξορυκτικές της δραστηριότητες στις αρχές της δεκαετίας του 1980 και αναβλαστήθηκε με δέντρα και θάμνους. Η τοποθεσία Gateway Hill έλαβε επίσημο πιστοποιητικό ανάκτησης από την κυβέρνηση της Αλμπέρτα το 2008 και πιστοποιήθηκε ως δασώδης λοφώδης έκταση (~104 εκτάρια). Τα οικοσυστήματα περιλαμβάνουν κυρίως δάσος ελάτης, δάσος με πεύκα, λιβάδια και υγρότοπους. Η εγκατάσταση αποθήκευσης απορριμμάτων Highmont ανήκει στο ορυχείο Highland Valley Copper στη νότιο-κεντρική Βρετανική Κολομβία. Το Highland Valley Copper είναι ένα από τα μεγαλύτερα ανοιχτά ορυχεία στον κόσμο χαλκού και μολυβδαινίου και το Highmont (περίπου 220 εκτάρια) χρησιμοποιήθηκε για τη διαχείριση των απορριμμάτων από το 1980 έως το 1984. Η αποκατάσταση αυτού του ορυχείου βασίστηκε σε ένα σχέδιο τελικής χρήσης γης, ενώ, η περιοχή Highmont έχει αναβλαστήσει κυρίως μέσω της εγκατάστασης υδρόβιας βλάστησης και των προσπαθειών αναβλάστησης υγροτόπων. Το Stanrock, που ανήκει στην Denison Mines Limited, βρίσκεται στην περιοχή της λίμνης Elliot , στο Οντάριο και η περιοχή αυτής της λίμνης χρησίμευε ως κύρια βάση για την εξόρυξη ουρανίου. Το Stanrock, που καλύπτει μια έκταση περίπου 52 εκταρίων, χρησιμοποιήθηκε για την εναπόθεση απορριμμάτων μεταξύ των μέσων της δεκαετίας του 1950 έως τις αρχές της δεκαετίας του 1960, αν και ο παροπλισμός του ουρανίου ξεκίνησε λίγο μετά το 1992, όταν ολόκληρη η εγκατάσταση εξόρυξης ουρανίου έπαυσε οριστικά τη λειτουργία της. Η παραγωγή οξέος ήταν μια σημαντική περιβαλλοντική ανησυχία που σχετίζεται με τα απορρίμματα ουρανίου, ωστόσο, δεδομένου ότι η τελευταία εναπόθεση απορριμμάτων στο Stanrock συνέβη στις αρχές της δεκαετίας του 1960, σχεδόν κανένας αντιδραστικός πυρίτης δεν παρέμεινε στο επιφανειακό στρώμα των απορριμμάτων στις αρχές της δεκαετίας του 1990, όταν ξεκίνησε ο παροπλισμός. Χρησιμοποιήθηκε προσέγγιση ξηρού καλύμματος για τον παροπλισμό του Stanrock και από το 1998, όταν ολοκληρώθηκαν οι περισσότερες από τις σημαντικές δραστηριότητες ανάκτησης κεφαλαίων, ο παροπλισμός έχει εισέλθει στη φάση μακροπρόθεσμης παρακολούθησης. Το Clinton Creek Mine ανήκε στην Cassiar Asbestos Corporation και λειτουργούσε ως ορυχείο αμιάντου από το 1968 έως το 1978. Η τοποθεσία του ορυχείου βρίσκεται περίπου 100 χλμ. βορειοδυτικά της Ντόσον Σίτι, Γιούκον. Κατά τη διάρκεια των εργασιών του, το μετάλλευμα αμιάντου εξήχθη από τα ανοιχτά κοιλώματα και μεταφέρθηκε σε μύλο για επεξεργασία, ενώ, η αναβλάστηση βρέθηκε ότι συμβαίνει φυσικά (δηλαδή, παθητική βλάστηση) στις χωματερές άχρηστων πετρωμάτων από το κλείσιμο του ορυχείου το 1978. 

''' 2.2. Δεδομένα εικόνων τηλεπισκόπησης '''

Μέχρι στιγμής, οι δορυφόροι Landsat έχουν παράσχει σχεδόν 50 χρόνια συλλογής δεδομένων εικόνων, γεγονός που καθιστά τις εικόνες Landsat πολύ κατάλληλες για μια μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της αλλαγής της επιφάνειας της γης. Πολυχρονικές εικόνες τηλεπισκόπησης που συλλέχθηκαν από τους δορυφόρους Landsat 5 (1984-1993) και Landsat 8 (1993 έως σήμερα) χρησιμοποιούνται για την ποσοτικοποίηση της αλλαγής της κάλυψης της γης και την έκταση της βλάστησης στις στοχευόμενες τοποθεσίες ορυχείων. Οι εικόνες Landsat 5 και Landsat 8 για κάθε τοποθεσία ορυχείου, λήφθηκαν από τη βάση δεδομένων Earth Explorer του Γεωλογικού Ινστιτούτου των Ηνωμένων Πολιτειών. Τα δεδομένα εικόνων χρησιμοποιούνται για την ελαχιστοποίηση της επίδρασης της εποχικής γωνίας ηλίου και στις φαινολογικές διαφορές των φυτών στην ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης. Τελικά, λήφθηκαν περίπου 25 έως 38 εικόνες Landsat μεταξύ του 1984 (ή του αντίστοιχου έτους κλεισίματος όταν ήταν αργότερα από το 1984) και του 2021 για κάθε τοποθεσία. Πραγματοποιείται μια δέσμη προεπεξεργασίας των ληφθέντων εικόνων Landsat και κατά την προεπεξεργασία, το εργαλείο διαχείρισης σύνθετων ζωνών χρησιμοποιείται για τη δημιουργία των σύνθετων εικόνων, οι οποίες αποκόπτονται στην αντίστοιχη περιοχή ενδιαφέροντος της τοποθεσίας ορυχείου.

''' 2.3. Μέθοδος Ανάλυσης '''

Πραγματοποιείται η ανάλυση Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). Το NDVI είναι ένα ποσοτικό μέτρο της αφθονίας και του σθένους της βλάστησης και υπολογίζεται σε κάθε εικονοστοιχείο εικόνας. 

<center> ''' NDVI=(Bnir - Bred)/(Bnir + Bred), (1) ''' </center>

όπου, το Bnir και το Bred υποδηλώνουν τις τιμές ανάκλασης από τις φασματικές ζώνες κοντά στο υπέρυθρο και το κόκκινο, αντίστοιχα. Το NDVI κυμαίνεται από -1 έως 1. Ένα υψηλότερο NDVI υποδηλώνει περισσότερη ζωντανή πράσινη βλάστηση. Για κάθε τοποθεσία ορυχείου, οι χρονικές διακυμάνσεις των τιμών NDVI κατά μέσο όρο προέρχονται από τις εικόνες Landsat. Στη συνέχεια, εφαρμόζεται μια γραμμική παλινδρόμηση που βασίζεται στη μέθοδο των Ελαχίστων τετραγώνων για να ποσοτικοποιηθεί η τάση αλλαγής της κάλυψης της βλάστησης με την πάροδο του χρόνου.

Για κάθε τοποθεσία, οι εικόνες από τα έτη 1984 (ή το έτος κλεισίματος της τοποθεσίας όταν ήταν μεταγενέστερο του 1984) και το 2021 ταξινομήθηκαν σε διαφορετικές κατηγορίες κάλυψης γης χρησιμοποιώντας τη μέθοδο του τυχαίου δάσους. Δεδομένου ενός έτους ταξινόμησης, οι εικόνες ανάκλασης επιφάνειας Landsat από τον Ιούνιο έως τον Σεπτέμβριο του έτους συντέθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή του χάρτη ταξινόμησης με βάση τη μέθοδο της διάμεσης σύνθεσης. Έξι δείκτες συμπεριλαμβανομένου NDVI, κανονικοποιημένης αναλογίας καύσης (NBR), κανονικοποιημένης διαφοράς δείκτη υγρασίας (NDMI), πρασινάδας καπακιού (TCG), φωτεινότητας καπακιού φούντας (TCB) και υγρασίας καπακιού φούντας (TCW) προήλθαν από τη σύνθετη εικόνα και στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για την τυχαία ταξινόμηση δασών. Τα δείγματα εκπαίδευσης και τα δείγματα επικύρωσης συλλέχθηκαν για κάθε κατηγορία και ο αριθμός των δέντρων που χρησιμοποιήθηκαν για το μοντέλο τυχαίου δάσους είναι 85. Περαιτέρω, πραγματοποιήθηκε ανίχνευση αλλαγής μετά την ταξινόμηση για την παρακολούθηση της αλλαγής χρήσης γης/κάλυψης. Ο Δείκτης Regrowth (RI) υπολογίζεται σε κάθε τοποθεσία μελέτης και είναι ένα μέτρο της έκτασης της ανάκτησης της βλάστησης που προκύπτει από την αποκατάσταση σε μια διαταραγμένη τοποθεσία σε σχέση με μια μη διαταραγμένη τοποθεσία αναφοράς. Το RI υπολογίζεται ως η διαφορά NDVI μεταξύ μιας διαταραγμένης τοποθεσίας ορυχείου (NDVIdisturbed) και της αντίστοιχης μη διαταραγμένης τοποθεσίας αναφοράς (NDVIreference):

<center> ''' RI = NDVIdisturbed - NDVIreference, (2) ''' </center>

Σε κάθε τοποθεσία μελέτης, η περιοχή χωρίς οπτικά αισθητές ανθρωπογενείς διαταραχές επιλέγεται ως η αντίστοιχη τοποθεσία αναφοράς και η χρήση τους είναι ζωτικής σημασίας για την παρακολούθηση του επιπέδου επιτυχίας της αποκατάστασης. Το RI ελαχιστοποιεί τις επιπτώσεις στην εκτίμηση της τάσης NDVI από περιφερειακούς περιβαλλοντικούς παράγοντες (μεταβολές καιρού/κλίματος, υδρολογία, ηλιακή ακτινοβολία, συνθήκες υγρασίας του εδάφους) καθώς αυτοί οι περιβαλλοντικοί παράγοντες αναμένεται να έχουν πολύ παρόμοιες επιπτώσεις στις διαταραγμένες και μη διαταραγμένες περιοχές. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ '''

''' 3.1. Ανάλυση NDVI '''

Ο δείκτης NDVI ήταν ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος δείκτης τηλεπισκόπησης για την αξιολόγηση της αποκατάστασης της περιοχής ορυχείων. Το αρχικό NDVI (πριν από την εκ νέου βλάστηση) είναι τυπικά χαμηλό και καθώς εμφανίζεται η αναγέννηση της βλάστησης, το NDVI, τείνει να αυξάνεται. Ως εκ τούτου, οι τάσεις NDVI μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μετρηθεί εάν η ανάκτηση είναι επιτυχής στην τοποθεσία. Ο NDVI δεν υπολογίζεται όταν δεν είναι διαθέσιμες οι αντίστοιχες εικόνες Landsat χωρίς σύννεφο. Όλες οι τοποθεσίες ορυχείων εμφανίζουν αυξανόμενες τάσεις NDVI αλλά με διαφορετικούς ρυθμούς μεταβολής. Η τοποθεσία Wapisiw Lookout έκλεισε αργότερα από άλλες τοποθεσίες ορυχείων, αλλά παρουσίασε τη μεγαλύτερη αυξητική τάση στο NDVI. Επίσης, παρόλο που το Wapisiw Lookout έγινε ανενεργό το 1997, οι σημαντικές προσπάθειες ανάκτησης και φύτευσης ξεκίνησαν επίσημα μεταξύ 2009 και 2010. Συνεπώς, από το 2009, ο NDVI της τοποθεσίας αυξήθηκε ραγδαία. Ο NDVI του Stanrock έχει τον δεύτερο υψηλότερο ρυθμό ανάπτυξης με την ταχεία αύξηση του NDVI να ξεκινά το 1998–1999 όταν ολοκληρώθηκαν οι σημαντικές δραστηριότητες ανάκτησης κεφαλαίων στην περιοχή. Το Highmont και το Gateway Hill έκλεισαν στις αρχές της δεκαετίας του 1980, νωρίτερα από άλλες τοποθεσίες. Αν και η τοποθεσία Highmont είχε το χαμηλότερο NDVI πριν από την ανάκτηση, έχει εντοπιστεί μια μονότονη και ουσιαστική αυξητική τάση NDVI για την τοποθεσία, λόγω αποτελεσματικού σχεδίου τελικής χρήσης γης. Αντίθετα, η τοποθεσία Gateway Hill είχε το υψηλότερο NDVI πριν από την επαναβλάστηση σε όλες τις περιοχές μελέτης, διότι χρησιμοποιήθηκε ως απόθεμα υπερκείμενων υλικών για τις εργασίες εξόρυξης και όχι ως αποθήκευση απορριμμάτων. Το NDVI του Gateway Hill παρουσίασε ισχυρή ανοδική τάση μέχρι το 2003 και στη συνέχεια παρέμεινε σχετικά σταθερό. Το Pine Point και οι χωματερές πετρωμάτων του ορυχείου Clinton Creek παρουσίασαν συλλογικά τη μικρότερη αλλαγή στο NDVI με την πάροδο του χρόνου,λόγω της παθητικής επαναβλάστησης. Ωστόσο, η αργή αύξηση του NDVI εξακολουθεί να είναι στατιστικά σημαντική. 

''' 3.2. Ταξινόμηση εικόνας και ανίχνευση αλλαγής μετά την ταξινόμηση '''

Για κάθε τοποθεσία, οι εικόνες από το έτος 1984 (ή το έτος κλεισίματος της τοποθεσίας όταν ήταν αργότερα από το 1984) και το παρόν (έτος 2021) ταξινομούνται σε πέντε κατηγορίες κάλυψης γης: δάσος, θαμνώδεις εκτάσεις, λιβάδια, επιφάνεια νερού και γυμνή γη. Η τοποθεσία του ορυχείου Pine Point κατά το κλείσιμό της κυριαρχούνταν από γυμνή γη κι ακόμα και σήμερα, εξακολουθεί να υπάρχει έλλειψη σημαντικής βλάστησης με εξαίρεση, μόνο κάποια περιορισμένα κομμάτια, λόγω της παθητικής επαναβλάστησης. Μια οριακή αύξηση στην περιοχή με βλάστηση είναι σύμφωνη με μια μικρή αλλαγή NDVI και οι δυσμενείς περιβαλλοντικοί παράγοντες, όπως η έλλειψη θρεπτικών ουσιών και υγρασίας και οι υψηλές συγκεντρώσεις αλατιού, μολύβδου και ψευδαργύρου εμπόδισαν περαιτέρω τη βλάστηση στην περιοχή. Το Wapisiw Lookout στο κλείσιμό του κυριαρχούνταν από την επιφάνεια του νερού και το γυμνό έδαφος ή βράχο με περιορισμένη κάλυψη βλάστησης, ενώ η βλάστηση κυριαρχεί στη σύγχρονη τοποθεσία. Η αλλαγή της κάλυψης του εδάφους αποκαλύπτει ξεκάθαρα την ουσιαστική έκταση της βλάστησης, η οποία είναι συνεπής με τους φυτεμένους τύπους βλάστησης το 2010. Ένα μεγάλο κομμάτι γυμνής γης ήταν εμφανές για την τοποθεσία Gateway Hill στο κλείσιμό της, η οποία έχει μετατραπεί σε μεγάλο βαθμό σε μια περιοχή με βλάστηση (που κυριαρχείται από δάση). Εκτός από τη σημαντική αύξηση της έκτασης με βλάστηση, το νέο οδικό δίκτυο έχει επίσης αναπτυχθεί για το Gateway Hill. Το Highmont κυριαρχούνταν από την επιφάνεια του νερού και το γυμνό έδαφος ή βράχο όταν έκλεισε η τοποθεσία το 1984, γεγονός που οδήγησε στο σχεδόν μηδενικό NDVI για την τοποθεσία στο κλείσιμο. Τα κύρια τμήματα της λίμνης απορριμμάτων και των γυμνών εκτάσεων έχουν αναβλαστήσει με χόρτα και δέντρα, αν και η κάλυψη βλάστησης εξακολουθεί να απουσιάζει στο κεντρικό τμήμα της αρχικής λίμνης απορριμμάτων. Στο Stanrock, η γυμνή γη κυριαρχούσε το 1992 από τότε που η τελευταία εναπόθεση απορριμμάτων στην τοποθεσία έγινε στις αρχές της δεκαετίας του 1960. Η ανίχνευση αλλαγής μετά την ταξινόμηση δείχνει ότι το Stanrock είχε βιώσει μια σημαντική αναβλάστηση τα τελευταία 30 χρόνια και η γυμνή γη έχει μετατραπεί σε μεγάλο βαθμό σε φυτική κάλυψη μέσω των δραστηριοτήτων αποκατάστασης. Ωστόσο, τα μικρά γυμνά και υδάτινα επιφανειακά θραύσματα εξακολουθούν να υπάρχουν, λόγω της ύπαρξης υποδομής για την επιφανειακή αποστράγγιση από τα απορρίμματα που παράγουν οξύ. Η αναβλάστηση συνέβη φυσικά πάνω από τις χωματερές βράχων του Clinton Creek. Οι χωματερές βράχων κοντά στη νοτιοδυτική όχθη του Clinton Creek είχαν παραμείνει γυμνές μέχρι το 1984 από το κλείσιμό του στα τέλη της δεκαετίας του 1970. Η φυσική αναβλάστηση εμφανίστηκε μόνο σε ένα μικρό τμήμα των χωματερών τις τελευταίες δεκαετίες, ενώ οι περισσότερες από τις πλαγιές των χωματερών εξακολουθούσαν να στερούνται φυτικής κάλυψης μέχρι το 2021.

''' 3.3. Ανάλυση δείκτη Regrowth '''

Η χρήση του RI βοηθάει στην εκτίμηση του επιπέδου επιτυχίας της επαναβλάστησης. Οι τιμές RI από το έτος κλεισίματος της τοποθεσίας και το έτος 2021 υπολογίζονται και συγκρίνονται μεταξύ των έξι τοποθεσιών ορυχείων. Οι τιμές RI από τα αντίστοιχα έτη κλεισίματος των έξι τοποθεσιών ορυχείων είναι όλες κάτω από το μηδέν. Έτσι, το αρνητικό RI δείχνει ότι οι διαταραχές υπήρχαν για κάθε τοποθεσία στο κλείσιμό της. Ένας πιο αρνητικός RI σημαίνει υψηλότερο βαθμό διαταραχής σε σχέση με την αντίστοιχη μη διαταραγμένη θέση αναφοράς. Η διαδικασία επαναβλάστησης, εάν συμβεί, αναμένεται να αμβλύνει τις διαταραχές και επομένως να αυξήσει τις τιμές RI. Οι τιμές RI είναι κοντά ή λίγο πάνω από το μηδέν για τις παρούσες τοποθεσίες Gateway Hill, Wapisiw Lookout και Highmont που σημαίνει ότι οι συνθήκες κάλυψης της βλάστησης των τριών αυτών τοποθεσιών έχουν ήδη αποκατασταθεί σε επίπεδο που είναι πολύ κοντά ή καλύτερο από την αδιατάρακτη κατάσταση προεξόρυξης. Για την ανακτημένη τοποθεσία Stanrock, αν και παρατηρείται επίσης σημαντική αύξηση στο RI, η τελευταία τιμή RI εξακολουθεί να είναι αρνητική. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι η παρούσα RI εξακολουθεί να είναι αρκετά αρνητική στις δύο περιοχές με παθητική αναβλάστηση (Pine Point και Clinton Creek). Μελέτες δείχνουν ότι η αρχική RI (πριν από την επαναβλάστηση) ήταν αρνητική και στη συνέχεια είχε κλίση προς το μηδέν καθώς η σημαντική αναγέννηση της βλάστησης εμφανίστηκε στην διαταραγμένη περιοχή. Οι τάσεις του RI στις τέσσερις τοποθεσίες με ενεργή αναβλάστηση (Gateway Hill, Wapisiw Lookout, Highmont και Stanrock) συμφωνούσαν καλά με την διαπίστωση, η οποία παρείχε στοιχεία για την αποτελεσματικότητα της εκτίμησης RI.

''' 4. ΣΥΖΗΤΗΣΗ '''

Η βιωσιμότητα των εργασιών εξόρυξης διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην επίτευξη των παγκόσμιων στόχων βιώσιμης ανάπτυξης. Για να προωθηθεί η κατανόηση των βιώσιμων πρακτικών που σχετίζονται με την ανάκτηση τοποθεσιών ορυχείων στον Καναδά, αξιολογούμε τις αλλαγές κάλυψης γης στο χώρο και το χρόνο σε πολλαπλές αποκαταστημένες τοποθεσίες ορυχείων σε ολόκληρο τον Καναδά με βάση πολλαπλές χρονικές εικόνες Landsat. Το NDVI είναι ένας κρίσιμος δείκτης τηλεπισκόπησης για την αποτελεσματική παρακολούθηση της συμπεριφοράς της αναβλάστησης του ορυχείου, π.χ. σύμφωνα με την ανάλυση NDVI, μια περιοχή με ενεργή αναβλάστηση είχε τυπικά μια σημαντική αύξηση στην υγιή βλάστηση χάρη στις καλά σχεδιασμένες βιώσιμες πρακτικές, όπως η προσθήκη φυτικού εδάφους και επανασπορά με διάφορα προσαρμοσμένα φυτικά είδη. Αντίθετα, μια αργή ανάκαμψη της υγείας και της αφθονίας της βλάστησης είναι πολύ πιθανό να συμβεί σε μια τοποθεσία μετά το κλείσιμο του ορυχείου χωρίς να υποστούν σημαντικές προσπάθειες ενεργού βλάστησης. Αυτό είναι σύμφωνο με μια ασθενή αυξητική τάση NDVI που ποσοτικοποιήθηκε για το Pine Point, το οποίο δεν υποβλήθηκε σε σημαντικές προσπάθειες ενεργού αναβλάστησης και περιορίστηκε μόνο με ένα λεπτό μείγμα άμμου και χαλικιού για την πρόληψη της σκόνης. Η υψηλή συγκέντρωση μεταλλικών μολυσματικών ουσιών θα μπορούσε να οδηγήσει σε φυτοτοξικότητα, ανεπάρκειες θρεπτικών ουσιών και κακή υφή του εδάφους, τα οποία δεν ευνόησαν την εγκατάσταση βλάστησης. Παρόμοια αποτελέσματα παρατηρήθηκαν για το παθητικά αναζωογονημένο ορυχείο Clinton Greek Mine στο Yukon και τις τοποθεσίες ορυχείων μολύβδου και ψευδαργύρου στην Κίνα. Η ανίχνευση αλλαγών που προέρχεται από ταξινόμηση δορυφορικών εικόνων είναι επίσης μια σημαντική μέθοδος για την αξιολόγηση της αναβλάστησης του ορυχείου. Οι προκύπτοντες χάρτες ταξινόμησης και ανίχνευσης αλλαγών τεκμηρίωσαν περαιτέρω την αλλαγή της βλάστησης που προέκυψε από την ανάλυση NDVI. Το Wapisiw Lookout και το Gateway Hill έχουν φτάσει ή πλησιάσει την αντίστοιχη χωρητικότητα επαναβλάστησης, ενώ στα Pine Point Mine, Stanrock και Clinton Creek Mine έχουν απομείνει σημαντικά θραύσματα γυμνής γης ή/και υδάτινης επιφάνειας, γεγονός που δείχνει ότι υπάρχει χώρος για περαιτέρω αποκατάσταση της βλάστησης. Ο δείκτης RI παρέχει ένα ποσοτικό μέτρο του επιπέδου αναβλάστησης κι όσο υψηλότερο RI σημαίνει λιγότερες διαταραχές λόγω καλύτερης ανάκτησης βλάστησης. Η ανάλυση RI επιβεβαιώνει ότι οι βιώσιμες πρακτικές που περιλαμβάνουν ενεργητική βλάστηση μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά την ανάκτηση της υγείας και της αφθονίας της βλάστησης σε διαταραγμένες περιοχές εξόρυξης στον Καναδά, επειδή το RI που προκύπτει από μια ενεργή αναβλάστηση ξεπέρασε σημαντικά το RI που βιώνει μόνο μια παθητική βλάστηση. Η αξιολόγηση και παρακολούθηση της ανάκτησης βάσει τηλεπισκόπησης επηρρεάζεται από ορισμένους περιορισμούς. Ένας περιορισμός είναι ότι η χωρική ανάλυση των εικόνων Landsat κατέστησε δύσκολη τη χαρτογράφηση οποιασδήποτε αλλαγής κάλυψης γης σε μικρότερη κλίμακα (<30 m), γι’ αυτό θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν σε συνδυασμό με την επιτόπια έρευνα για να βελτιωθεί η ακρίβεια της αξιολόγησης. Εναλλακτικά, συνιστώνται εικόνες από δορυφόρους πολύ υψηλής χωρικής ανάλυσης. Ένας άλλος περιορισμός είναι ότι η ανίχνευση εικόνων Landsat υπόκειται σε καιρικές συνθήκες, όπως η κάλυψη σύννεφων, η οποία θα μπορούσε να προκαλέσει ορισμένα κενά για τη μακροπρόθεσμη παρακολούθηση. Στο μέλλον, η τηλεπισκόπηση μικροκυμάτων, η οποία είναι λιγότερο επιρρεπής στην κάλυψη σύννεφων, μπορεί να χρησιμοποιηθεί με τις εικόνες Landsat χωρίς σύννεφα για την παροχή καλύτερης χρονικής κάλυψης. 

''' 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης και οι εικόνες Landsat είναι κατάλληλες για μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της ανάκτησης βλάστησης σε τοποθεσίες μετά το κλείσιμο ορυχείων στον Καναδά. Η ενεργός ανάκτηση και βλάστηση είναι μια κρίσιμης σημασίας βιώσιμη πρακτική για το κλείσιμο ενός ορυχείου, ενώ η παθητική αποκατάσταση από μόνη της τυπικά δεν μπορεί να προσφέρει επαρκή ποσοστά αλλαγής κάλυψης γης και έκταση βλάστησης σε μολυσμένες τοποθεσίες. Η ποσοτικοποιημένη συμπεριφορά ανάκτησης του ορυχείου και οι σχετικές βιώσιμες πρακτικές θα παρέχουν σημαντική καθοδήγηση για τη βιώσιμη διαχείριση πόρων βάσει στοιχείων στον Καναδά και σε όλο τον κόσμο. 

[[category:Δασοπονία, Δασική διαχείριση]]

Αξιολόγηση βλάστησης βάσει τηλεπισκόπησης σε τοποθεσίες ορυχείων μετά το κλείσιμό τους στον Καναδά

2024-02-16T14:52:59Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Remote Sensing-Based Revegetation Assessment at Post-Closure Mine Sites in Canada''

'''Συγγραφείς: ''' Sam Gordon, Xiaoyong Xu and Yanyu Wang

'''Δημοσιεύθηκε: ''' ''Sustainability 2023, 15, 11287. https://doi.org/10.3390/su151411287''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Βλάστηση

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Αξιολόγηση βλάστησης σε τοποθεσίες ορυχείων του Καναδά '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_CAN_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Λίστα με επιλεγμένες τοποθεσίες ορυχείων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Η γεωγραφική κατανομή των επιλεγμένων θέσεων ορυχείων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' Το NDVI αλλάζει με το έτος (συμπαγείς γραμμές) για τις τοποθεσίες του ορυχείου μελέτης. Οι γραμμές παύλα υποδηλώνουν τις γραμμές τάσης γραμμικής παλινδρόμησης για τις αλλαγές NDVI, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' Οι κλίσεις γραμμικής παλινδρόμησης (ρυθμοί) για το NDVI αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου στις τοποθεσίες μελέτης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1989 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο ορυχείο Pine Point. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1997 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο Wapisiw Lookout. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1984 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνεσυση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στην τοποθεσία Gateway Hill. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο της τοποθεσίας υπερφόρτωσης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1984 και (b) 2021, καθώς και (c) ο εντοπισμός αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο Highmont. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1992 και (b) 2021, καθώς και (c) η ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο Stanrock TMA. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_10.png | thumb| right|'''Εικόνα 10.''' '' Ταξινομημένοι τύποι κάλυψης γης από τα έτη (a) 1984 και (b) 2021, καθώς και (c) ο εντοπισμός αλλαγής κάλυψης γης μεταξύ των δύο ετών στο ορυχείο Clinton Creek. Η διακεκομμένη γραμμή υποδηλώνει το όριο της μονάδας απορριμάτων βράχου του Clinton Creek, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_CAN_11.png | thumb| right|'''Εικόνα 11.''' '' Σχέδιο διασποράς του έτους κλεισίματος της τοποθεσίας έναντι του έτους 2021 όσον αφορά τις τιμές RI στις έξι τοποθεσίες ορυχείων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411287] '' ]]

Ο τομέας εξόρυξης διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην οικονομία του Καναδά διότι η βιομηχανία εξόρυξης συνεισέφερε το 5% του ονομαστικού ΑΕΠ του Καναδά το 2019 και επίσης υποστηρίζει τεράστια ποσά τοπικής απασχόλησης, ειδικά για αυτόχθονες πληθυσμούς στον Καναδά. Επιπλέον, η απασχόληση που σχετίζεται με την εξόρυξη μπορεί να μεταφέρει περαιτέρω τα οφέλη από την ανάπτυξη των πόρων στην τοπική οικονομία. Ωστόσο, η εξόρυξη θα μπορούσε να προκαλέσει μια σειρά περιβαλλοντικών ζητημάτων (π.χ. διαταραγμένα εδάφη, μόλυνση εδάφους και υδάτινων πόρων και απώλεια βιοποικιλότητας). Η κάλυψη γης και η αλλαγή χρήσης γης θα επηρεάσουν την απορρόφηση άνθρακα, επιδεινώνοντας την υπερθέρμανση του πλανήτη και τους τοπικούς κλιματικούς κινδύνους. Έτσι, μία από τις πιο σημαντικές πρακτικές για τη βιώσιμη ανάπτυξη των εργασιών εξόρυξης είναι η αποκατάσταση της βλάστησης, του εδάφους, της βιοποικιλότητας και των οικολογικών διεργασιών των διαταραγμένων εδαφών σε περιοχές μετά το κλείσιμο ορυχείων, προσφέροντας φυσικά, χημικά και βιολογικά οφέλη σε ανακτημένες τοποθεσίες ορυχείων, οι οποίες μπορούν να ανακτήσουν την ικανότητά τους να αποθηκεύουν άνθρακα και άζωτο. Στον Καναδά, πολλές από τις τοποθεσίες ορυχείων είχαν συνήθως υποστεί αποκατάσταση μέσω φυσικής διαδοχής μετά από διαταραχή, η οποία είναι γνωστή ως αυθόρμητη αναβλάστηση ή παθητική αποκατάσταση. Άλλη μέθοδος είναι η ενεργή αποκατάσταση κατά την οποία σχεδιάζονται και υλοποιούνται έργα αποκατάστασης γης σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο λειτουργίας του οικοσυστήματος, βελτιώνοντας την ακεραιότητα του περιφερειακού οικοσυστήματος και την κοινωνική-οικολογική ανθεκτικότητα. Μια παθητική ανάκτηση μπορεί να αυξήσει τη βιοποικιλότητα και τις οικολογικές λειτουργίες με σχετικά χαμηλές οικονομικές δαπάνες, αλλά συνήθως οδηγεί σε πιο αργή ανάκτηση και λιγότερο έλεγχο των ιδιοτήτων του οικοσυστήματος, ενώ μια ενεργή ανάκτηση και βλάστηση μπορεί να διευκολύνει και να επιταχύνει την ανάκαμψη του τοπίου και του οικοσυστήματος. Η μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της αλλαγής της κάλυψης γης είναι ένα σημαντικό στοιχείο των πρακτικών βιώσιμης αποκατάστασης που σχετίζονται με διαταραχές από τις εξορυκτικές εργασίες. Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αξιολόγηση της έκτασης της αναβλάστησης του ορυχείου, καθώς, η τηλεπισκόπηση προσφέρει τα πλεονεκτήματά της (π.χ. καλύτερη χωρική κάλυψη, λιγότερα εργατικά και οικονομικά έξοδα) στην παρακολούθηση της αλλαγής της κάλυψης γης. Οι μέθοδοι τηλεπισκόπησης χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο για την ανίχνευση της αποκατάστασης και της αναβλάστησης του ορυχείου στον Καναδά τις τελευταίες δεκαετίες. Χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα πολλαπλών χρονικών πολυφασματικών ή υπερφασματικών εικόνων για την εξαγωγή των δεικτών βλάστησης ή/και των ταξινομημένων τύπων κάλυψης γης, τα οποία στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για την παρακολούθηση της αναβλάστησης του ορυχείου. Επιπλέον, οι τεχνικές τηλεπισκόπησης έχουν εφαρμοστεί για την αξιολόγηση της αποκατάστασης και της αναβλάστησης σε τοποθεσίες ορυχείων σε όλο τον κόσμο, όπως στην Αυστραλία, τη Βραζιλία, την Κίνα, την Ευρώπη και τις ΗΠΑ. Αν και έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στην αξιολόγηση βάσει τηλεπισκόπησης της αναβλάστησης του ορυχείου και της οικολογικής αποκατάστασης στον Καναδά, οι περισσότερες από τις αξιολογήσεις επικεντρώθηκαν μόνο στη συμπεριφορά ανάκτησης και αναβλάστησης σε μία τοποθεσία ορυχείου. Υπάρχει έλλειψη πληροφοριών σχετικά με το πόσο διαφορετικά συμπεριφέρθηκε η ανάκτηση του τοπίου σε διαφορετικές τοποθεσίες, έτσι, η παρούσα μελέτη χρησιμοποιεί τεχνικές τηλεπισκόπησης για να εξετάσει την αλλαγή της κάλυψης της βλάστησης στο χώρο και το χρόνο σε πολλαπλές τοποθεσίες ορυχείων σε ολόκληρο τον Καναδά.

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Τοποθεσίες εξόρυξης '''

Η παρούσα μελέτη συγκρίνει την απόδοση των ανακτημένων τοποθεσιών ορυχείων στον Καναδά, επιλέγοντας τις ακόλουθες τοποθεσίες ορυχείων μετά το κλείσιμο: ορυχείο Pine Point στα βορειοδυτικά εδάφη του Καναδά, Wapisiw Lookout, Gateway Hill, Highmont στη Βρετανική Κολομβία, Stanrock στο Οντάριο και ορυχείο Clinton Creek στο Γιούκον. Η τοποθεσία Gateway Hill όσο και η τοποθεσία Wapisiw Lookout βρίσκονται στην άμμο πετρελαίου Athabasca, Αλμπέρτα. Το Pine Point ήταν ένα ανοιχτό ορυχείο μολύβδου-ψευδάργυρου με έδρα το Βανκούβερ του Καναδά. Οι εργασίες εξόρυξης ξεκίνησαν το 1964, σταμάτησαν το 1988 και καθ' όλη τη διάρκεια των εργασιών, εξορύχθηκαν περίπου 70 εκατομμύρια τόνοι μεταλλεύματος. Η περιοχή διαχείρησης απορριμάτων ήταν περίπου 700 εκτάρια και περιείχε περίπου 54 εκατομμύρια τόνους απορριμμάτων. Με το κλείσιμο του ορυχείου εφαρμόστηκε σχέδιο εγκατάλειψης και αποκατάστασης, ωστόσο, κυριαρχεί μια παθητική αποκατάσταση στο Pine Point Mine τις τελευταίες δεκαετίες. Τόσο το Wapisiw Lookout όσο και το Gateway Hill βρίσκονται στην άμμο πετρελαίου Athabasca στη βόρεια Αλμπέρτα. Η λίμνη απορριμμάτων Wapisiw Lookout (περίπου 220 εκτάρια) ξεκίνησε τη λειτουργία της το 1967 και παροπλίστηκε το 1997. Οι ενεργές προσπάθειες αποκατάστασης περιελάμβαναν κυρίως μεταφορά των απορριμμάτων από τη λίμνη σε διαφορετική τοποθεσία για επεξεργασία, γεμίζοντας τη λίμνη με καθαρή άμμο καλυμμένη με παχύ στρώμα φυτικού εδάφους και φύτευση καλλιεργειών, χόρτων και δέντρων. Κατά την περίοδο 2009–2010, χρειάστηκαν περίπου 65.000 φορτηγά με υλικά αποκατάστασης, ενώ, το 2010 φυτεύτηκαν πάνω από 620.000 δέντρα, θάμνοι και χόρτα. Η τοποθεσία είναι σε μόνιμη αποκατάσταση από το 2010, ενώ, το Gateway Hill που καλύπτει μια έκταση περίπου 104 εκταρίων, χρησιμοποιήθηκε ως απόθεμα υπερκείμενων υλικών για τις εργασίες εξόρυξης αντί για αποθήκευση απορριμμάτων ή άλλων δυνητικά μολυσμένων υλικών. Η περιοχή σταμάτησε τις εξορυκτικές της δραστηριότητες στις αρχές της δεκαετίας του 1980 και αναβλαστήθηκε με δέντρα και θάμνους. Η τοποθεσία Gateway Hill έλαβε επίσημο πιστοποιητικό ανάκτησης από την κυβέρνηση της Αλμπέρτα το 2008 και πιστοποιήθηκε ως δασώδης λοφώδης έκταση (~104 εκτάρια). Τα οικοσυστήματα περιλαμβάνουν κυρίως δάσος ελάτης, δάσος με πεύκα, λιβάδια και υγρότοπους. Η εγκατάσταση αποθήκευσης απορριμμάτων Highmont ανήκει στο ορυχείο Highland Valley Copper στη νότια-κεντρική Βρετανική Κολομβία. Το Highland Valley Copper είναι ένα από τα μεγαλύτερα ανοιχτά ορυχεία στον κόσμο χαλκού και μολυβδαινίου και το Highmont (περίπου 220 εκτάρια) χρησιμοποιήθηκε για τη διαχείριση των απορριμμάτων από το 1980 έως το 1984. Η αποκατάσταση αυτού του ορυχείου βασίστηκε σε ένα σχέδιο τελικής χρήσης γης, ενώ, η περιοχή Highmont έχει αναβλαστήσει κυρίως μέσω της εγκατάστασης υδρόβιας βλάστησης και των προσπαθειών αναβλάστησης υγροτόπων. Το Stanrock, που ανήκει στην Denison Mines Limited, βρίσκεται στην περιοχή της λίμνης Elliot , στο Οντάριο και η περιοχή αυτής της λίμνης χρησίμευε ως κύρια βάση για την εξόρυξη ουρανίου. Το Stanrock, που καλύπτει μια έκταση περίπου 52 εκταρίων, χρησιμοποιήθηκε για την εναπόθεση απορριμμάτων μεταξύ των μέσων της δεκαετίας του 1950 έως τις αρχές της δεκαετίας του 1960, αν και ο παροπλισμός του ουρανίου ξεκίνησε λίγο μετά το 1992, όταν ολόκληρη η εγκατάσταση εξόρυξης ουρανίου έπαυσε οριστικά τη λειτουργία της. Η παραγωγή οξέος ήταν μια σημαντική περιβαλλοντική ανησυχία που σχετίζεται με τα απορρίμματα ουρανίου, ωστόσο, δεδομένου ότι η τελευταία εναπόθεση απορριμμάτων στο Stanrock συνέβη στις αρχές της δεκαετίας του 1960, σχεδόν κανένας αντιδραστικός πυρίτης δεν παρέμεινε στο επιφανειακό στρώμα των απορριμμάτων στις αρχές της δεκαετίας του 1990, όταν ξεκίνησε ο παροπλισμός. Χρησιμοποιήθηκε προσέγγιση ξηρού καλύμματος για τον παροπλισμό του Stanrock και από το 1998, όταν ολοκληρώθηκαν οι περισσότερες από τις σημαντικές δραστηριότητες ανάκτησης κεφαλαίων, ο παροπλισμός έχει εισέλθει στη φάση μακροπρόθεσμης παρακολούθησης. Το ορυχείο Clinton Creek ανήκε στην Cassiar Asbestos Corporation και λειτουργούσε ως ορυχείο αμιάντου από το 1968 έως το 1978. Η τοποθεσία του ορυχείου βρίσκεται περίπου 100 χλμ. βορειοδυτικά της Ντόσον Σίτι, Γιούκον. Κατά τη διάρκεια των εργασιών του, το μετάλλευμα αμιάντου εξήχθη από τα ανοιχτά κοιλώματα και μεταφέρθηκε σε μύλο για επεξεργασία, ενώ, η αναβλάστηση βρέθηκε ότι συμβαίνει φυσικά (δηλαδή, παθητική βλάστηση) στις χωματερές άχρηστων πετρωμάτων από το κλείσιμο του ορυχείου το 1978. 

''' 2.2. Δεδομένα εικόνων τηλεπισκόπησης '''

Μέχρι στιγμής, οι δορυφόροι Landsat έχουν παράσχει σχεδόν 50 χρόνια συλλογής δεδομένων εικόνων, γεγονός που καθιστά τις εικόνες Landsat πολύ κατάλληλες για μια μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της αλλαγής της επιφάνειας της γης. Πολυχρονικές εικόνες τηλεπισκόπησης που συλλέχθηκαν από τους δορυφόρους Landsat 5 (1984-1993) και Landsat 8 (1993 έως σήμερα) χρησιμοποιούνται για την ποσοτικοποίηση της αλλαγής της κάλυψης της γης και την έκταση της βλάστησης στις στοχευόμενες τοποθεσίες ορυχείων. Οι εικόνες Landsat 5 και Landsat 8 για κάθε τοποθεσία ορυχείου, λήφθηκαν από τη βάση δεδομένων Earth Explorer του Γεωλογικού Ινστιτούτου των Ηνωμένων Πολιτειών. Τα δεδομένα εικόνων χρησιμοποιούνται για την ελαχιστοποίηση της επίδρασης της εποχικής γωνίας ηλίου και στις φαινολογικές διαφορές των φυτών στην ανίχνευση αλλαγής κάλυψης γης. Τελικά, λήφθηκαν περίπου 25 έως 38 εικόνες Landsat μεταξύ του 1984 (ή του αντίστοιχου έτους κλεισίματος όταν ήταν αργότερα από το 1984) και του 2021 για κάθε τοποθεσία. Πραγματοποιείται μια δέσμη προεπεξεργασίας των ληφθέντων εικόνων Landsat και κατά την προεπεξεργασία, το εργαλείο διαχείρισης σύνθετων ζωνών χρησιμοποιείται για τη δημιουργία των σύνθετων εικόνων, οι οποίες αποκόπτονται στην αντίστοιχη περιοχή ενδιαφέροντος της τοποθεσίας ορυχείου.

''' 2.3. Μέθοδος Ανάλυσης '''

Πραγματοποιείται η ανάλυση Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). Το NDVI είναι ένα ποσοτικό μέτρο της αφθονίας και του σθένους της βλάστησης και υπολογίζεται σε κάθε εικονοστοιχείο εικόνας. 

<center> ''' NDVI=(Bnir - Bred)/(Bnir + Bred), (1) ''' </center>

όπου, το Bnir και το Bred υποδηλώνουν τις τιμές ανάκλασης από τις φασματικές ζώνες κοντά στο υπέρυθρο και το κόκκινο, αντίστοιχα. Το NDVI κυμαίνεται από -1 έως 1. Ένα υψηλότερο NDVI υποδηλώνει περισσότερη ζωντανή πράσινη βλάστηση. Για κάθε τοποθεσία ορυχείου, οι χρονικές διακυμάνσεις των τιμών NDVI κατά μέσο όρο προέρχονται από τις εικόνες Landsat. Στη συνέχεια, εφαρμόζεται μια γραμμική παλινδρόμηση που βασίζεται στη μέθοδο των Ελαχίστων τετραγώνων για να ποσοτικοποιηθεί η τάση αλλαγής της κάλυψης της βλάστησης με την πάροδο του χρόνου.

Για κάθε τοποθεσία, οι εικόνες από τα έτη 1984 (ή το έτος κλεισίματος της τοποθεσίας όταν ήταν μεταγενέστερο του 1984) και το 2021 ταξινομήθηκαν σε διαφορετικές κατηγορίες κάλυψης γης χρησιμοποιώντας τη μέθοδο του τυχαίου δάσους. Δεδομένου ενός έτους ταξινόμησης, οι εικόνες ανάκλασης επιφάνειας Landsat από τον Ιούνιο έως τον Σεπτέμβριο του έτους συντέθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή του χάρτη ταξινόμησης με βάση τη μέθοδο της διάμεσης σύνθεσης. Έξι δείκτες συμπεριλαμβανομένου NDVI, κανονικοποιημένης αναλογίας καύσης (NBR), κανονικοποιημένης διαφοράς δείκτη υγρασίας (NDMI), πρασινάδας καπακιού (TCG), φωτεινότητας καπακιού φούντας (TCB) και υγρασίας καπακιού φούντας (TCW) προήλθαν από τη σύνθετη εικόνα και στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για την τυχαία ταξινόμηση δασών. Τα δείγματα εκπαίδευσης και τα δείγματα επικύρωσης συλλέχθηκαν για κάθε κατηγορία και ο αριθμός των δέντρων που χρησιμοποιήθηκαν για το μοντέλο τυχαίου δάσους είναι 85. Περαιτέρω, πραγματοποιήθηκε ανίχνευση αλλαγής μετά την ταξινόμηση για την παρακολούθηση της αλλαγής χρήσης γης/κάλυψης. Ο Δείκτης Regrowth (RI) υπολογίζεται σε κάθε τοποθεσία μελέτης και είναι ένα μέτρο της έκτασης της ανάκτησης της βλάστησης που προκύπτει από την αποκατάσταση σε μια διαταραγμένη τοποθεσία σε σχέση με μια μη διαταραγμένη τοποθεσία αναφοράς. Το RI υπολογίζεται ως η διαφορά NDVI μεταξύ μιας διαταραγμένης τοποθεσίας ορυχείου (NDVIdisturbed) και της αντίστοιχης μη διαταραγμένης τοποθεσίας αναφοράς (NDVIreference):

<center> ''' RI = NDVIdisturbed - NDVIreference, (2) ''' </center>

Σε κάθε τοποθεσία μελέτης, η περιοχή χωρίς οπτικά αισθητές ανθρωπογενείς διαταραχές επιλέγεται ως η αντίστοιχη τοποθεσία αναφοράς και η χρήση τους είναι ζωτικής σημασίας για την παρακολούθηση του επιπέδου επιτυχίας της αποκατάστασης. Το RI ελαχιστοποιεί τις επιπτώσεις στην εκτίμηση της τάσης NDVI από περιφερειακούς περιβαλλοντικούς παράγοντες (μεταβολές καιρού/κλίματος, υδρολογία, ηλιακή ακτινοβολία, συνθήκες υγρασίας του εδάφους) καθώς αυτοί οι περιβαλλοντικοί παράγοντες αναμένεται να έχουν πολύ παρόμοιες επιπτώσεις στις διαταραγμένες και μη διαταραγμένες περιοχές. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ '''

''' 3.1. Ανάλυση NDVI '''

Ο δείκτης NDVI ήταν ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος δείκτης τηλεπισκόπησης για την αξιολόγηση της αποκατάστασης της περιοχής ορυχείων. Το αρχικό NDVI (πριν από την εκ νέου βλάστηση) είναι τυπικά χαμηλό και καθώς εμφανίζεται η αναγέννηση της βλάστησης, το NDVI, τείνει να αυξάνεται. Ως εκ τούτου, οι τάσεις NDVI μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μετρηθεί εάν η ανάκτηση είναι επιτυχής στην τοποθεσία. Ο NDVI δεν υπολογίζεται όταν δεν είναι διαθέσιμες οι αντίστοιχες εικόνες Landsat χωρίς σύννεφο. Όλες οι τοποθεσίες ορυχείων εμφανίζουν αυξανόμενες τάσεις NDVI αλλά με διαφορετικούς ρυθμούς μεταβολής. Η τοποθεσία Wapisiw Lookout έκλεισε αργότερα από άλλες τοποθεσίες ορυχείων, αλλά παρουσίασε τη μεγαλύτερη αυξητική τάση στο NDVI. Επίσης, παρόλο που το Wapisiw Lookout έγινε ανενεργό το 1997, οι σημαντικές προσπάθειες ανάκτησης και φύτευσης ξεκίνησαν επίσημα μεταξύ 2009 και 2010. Συνεπώς, από το 2009, ο NDVI της τοποθεσίας αυξήθηκε ραγδαία. Ο NDVI του Stanrock έχει τον δεύτερο υψηλότερο ρυθμό ανάπτυξης με την ταχεία αύξηση του NDVI να ξεκινά το 1998–1999 όταν ολοκληρώθηκαν οι σημαντικές δραστηριότητες ανάκτησης κεφαλαίων στην περιοχή. Το Highmont και το Gateway Hill έκλεισαν στις αρχές της δεκαετίας του 1980, νωρίτερα από άλλες τοποθεσίες. Αν και η τοποθεσία Highmont είχε το χαμηλότερο NDVI πριν από την ανάκτηση, έχει εντοπιστεί μια μονότονη και ουσιαστική αυξητική τάση NDVI για την τοποθεσία, λόγω αποτελεσματικού σχεδίου τελικής χρήσης γης. Αντίθετα, η τοποθεσία Gateway Hill είχε το υψηλότερο NDVI πριν από την επαναβλάστηση σε όλες τις περιοχές μελέτης, διότι χρησιμοποιήθηκε ως απόθεμα υπερκείμενων υλικών για τις εργασίες εξόρυξης και όχι ως αποθήκευση απορριμμάτων. Το NDVI του Gateway Hill παρουσίασε ισχυρή ανοδική τάση μέχρι το 2003 και στη συνέχεια παρέμεινε σχετικά σταθερό. Το Pine Point και οι χωματερές πετρωμάτων του ορυχείου Clinton Creek παρουσίασαν συλλογικά τη μικρότερη αλλαγή στο NDVI με την πάροδο του χρόνου,λόγω της παθητικής επαναβλάστησης. Ωστόσο, η αργή αύξηση του NDVI εξακολουθεί να είναι στατιστικά σημαντική. 

''' 3.2. Ταξινόμηση εικόνας και ανίχνευση αλλαγής μετά την ταξινόμηση '''

Για κάθε τοποθεσία, οι εικόνες από το έτος 1984 (ή το έτος κλεισίματος της τοποθεσίας όταν ήταν αργότερα από το 1984) και το παρόν (έτος 2021) ταξινομούνται σε πέντε κατηγορίες κάλυψης γης: δάσος, θαμνώδεις εκτάσεις, λιβάδια, επιφάνεια νερού και γυμνή γη. Η τοποθεσία του ορυχείου Pine Point κατά το κλείσιμό της κυριαρχούνταν από γυμνή γη κι ακόμα και σήμερα, εξακολουθεί να υπάρχει έλλειψη σημαντικής βλάστησης με εξαίρεση, μόνο κάποια περιορισμένα κομμάτια, λόγω της παθητικής επαναβλάστησης. Μια οριακή αύξηση στην περιοχή με βλάστηση είναι σύμφωνη με μια μικρή αλλαγή NDVI και οι δυσμενείς περιβαλλοντικοί παράγοντες, όπως η έλλειψη θρεπτικών ουσιών και υγρασίας και οι υψηλές συγκεντρώσεις αλατιού, μολύβδου και ψευδαργύρου εμπόδισαν περαιτέρω τη βλάστηση στην περιοχή. Το Wapisiw Lookout στο κλείσιμό του κυριαρχούνταν από την επιφάνεια του νερού και το γυμνό έδαφος ή βράχο με περιορισμένη κάλυψη βλάστησης, ενώ η βλάστηση κυριαρχεί στη σύγχρονη τοποθεσία. Η αλλαγή της κάλυψης του εδάφους αποκαλύπτει ξεκάθαρα την ουσιαστική έκταση της βλάστησης, η οποία είναι συνεπής με τους φυτεμένους τύπους βλάστησης το 2010. Ένα μεγάλο κομμάτι γυμνής γης ήταν εμφανές για την τοποθεσία Gateway Hill στο κλείσιμό της, η οποία έχει μετατραπεί σε μεγάλο βαθμό σε μια περιοχή με βλάστηση (που κυριαρχείται από δάση). Εκτός από τη σημαντική αύξηση της έκτασης με βλάστηση, το νέο οδικό δίκτυο έχει επίσης αναπτυχθεί για το Gateway Hill. Το Highmont κυριαρχούνταν από την επιφάνεια του νερού και το γυμνό έδαφος ή βράχο όταν έκλεισε η τοποθεσία το 1984, γεγονός που οδήγησε στο σχεδόν μηδενικό NDVI για την τοποθεσία στο κλείσιμο. Τα κύρια τμήματα της λίμνης απορριμμάτων και των γυμνών εκτάσεων έχουν αναβλαστήσει με χόρτα και δέντρα, αν και η κάλυψη βλάστησης εξακολουθεί να απουσιάζει στο κεντρικό τμήμα της αρχικής λίμνης απορριμμάτων. Στο Stanrock, η γυμνή γη κυριαρχούσε το 1992 από τότε που η τελευταία εναπόθεση απορριμμάτων στην τοποθεσία έγινε στις αρχές της δεκαετίας του 1960. Η ανίχνευση αλλαγής μετά την ταξινόμηση δείχνει ότι το Stanrock είχε βιώσει μια σημαντική αναβλάστηση τα τελευταία 30 χρόνια και η γυμνή γη έχει μετατραπεί σε μεγάλο βαθμό σε φυτική κάλυψη μέσω των δραστηριοτήτων αποκατάστασης. Ωστόσο, τα μικρά γυμνά και υδάτινα επιφανειακά θραύσματα εξακολουθούν να υπάρχουν, λόγω της ύπαρξης υποδομής για την επιφανειακή αποστράγγιση από τα απορρίμματα που παράγουν οξύ. Η αναβλάστηση συνέβη φυσικά πάνω από τις χωματερές βράχων του Clinton Creek. Οι χωματερές βράχων κοντά στη νοτιοδυτική όχθη του Clinton Creek είχαν παραμείνει γυμνές μέχρι το 1984 από το κλείσιμό του στα τέλη της δεκαετίας του 1970. Η φυσική αναβλάστηση εμφανίστηκε μόνο σε ένα μικρό τμήμα των χωματερών τις τελευταίες δεκαετίες, ενώ οι περισσότερες από τις πλαγιές των χωματερών εξακολουθούσαν να στερούνται φυτικής κάλυψης μέχρι το 2021.

''' 3.3. Ανάλυση δείκτη Regrowth '''

Η χρήση του RI βοηθάει στην εκτίμηση του επιπέδου επιτυχίας της επαναβλάστησης. Οι τιμές RI από το έτος κλεισίματος της τοποθεσίας και το έτος 2021 υπολογίζονται και συγκρίνονται μεταξύ των έξι τοποθεσιών ορυχείων. Οι τιμές RI από τα αντίστοιχα έτη κλεισίματος των έξι τοποθεσιών ορυχείων είναι όλες κάτω από το μηδέν. Έτσι, το αρνητικό RI δείχνει ότι οι διαταραχές υπήρχαν για κάθε τοποθεσία στο κλείσιμό της. Ένας πιο αρνητικός RI σημαίνει υψηλότερο βαθμό διαταραχής σε σχέση με την αντίστοιχη μη διαταραγμένη θέση αναφοράς. Η διαδικασία επαναβλάστησης, εάν συμβεί, αναμένεται να αμβλύνει τις διαταραχές και επομένως να αυξήσει τις τιμές RI. Οι τιμές RI είναι κοντά ή λίγο πάνω από το μηδέν για τις παρούσες τοποθεσίες Gateway Hill, Wapisiw Lookout και Highmont που σημαίνει ότι οι συνθήκες κάλυψης της βλάστησης των τριών αυτών τοποθεσιών έχουν ήδη αποκατασταθεί σε επίπεδο που είναι πολύ κοντά ή καλύτερο από την αδιατάρακτη κατάσταση προεξόρυξης. Για την ανακτημένη τοποθεσία Stanrock, αν και παρατηρείται επίσης σημαντική αύξηση στο RI, η τελευταία τιμή RI εξακολουθεί να είναι αρνητική. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι η παρούσα RI εξακολουθεί να είναι αρκετά αρνητική στις δύο περιοχές με παθητική αναβλάστηση (Pine Point και Clinton Creek). Μελέτες δείχνουν ότι η αρχική RI (πριν από την επαναβλάστηση) ήταν αρνητική και στη συνέχεια είχε κλίση προς το μηδέν καθώς η σημαντική αναγέννηση της βλάστησης εμφανίστηκε στην διαταραγμένη περιοχή. Οι τάσεις του RI στις τέσσερις τοποθεσίες με ενεργή αναβλάστηση (Gateway Hill, Wapisiw Lookout, Highmont και Stanrock) συμφωνούσαν καλά με την διαπίστωση, η οποία παρείχε στοιχεία για την αποτελεσματικότητα της εκτίμησης RI.

''' 4. ΣΥΖΗΤΗΣΗ '''

Η βιωσιμότητα των εργασιών εξόρυξης διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην επίτευξη των παγκόσμιων στόχων βιώσιμης ανάπτυξης. Για να προωθηθεί η κατανόηση των βιώσιμων πρακτικών που σχετίζονται με την ανάκτηση τοποθεσιών ορυχείων στον Καναδά, αξιολογούμε τις αλλαγές κάλυψης γης στο χώρο και το χρόνο σε πολλαπλές αποκαταστημένες τοποθεσίες ορυχείων σε ολόκληρο τον Καναδά με βάση πολλαπλές χρονικές εικόνες Landsat. Το NDVI είναι ένας κρίσιμος δείκτης τηλεπισκόπησης για την αποτελεσματική παρακολούθηση της συμπεριφοράς της αναβλάστησης του ορυχείου, π.χ. σύμφωνα με την ανάλυση NDVI, μια περιοχή με ενεργή αναβλάστηση είχε τυπικά μια σημαντική αύξηση στην υγιή βλάστηση χάρη στις καλά σχεδιασμένες βιώσιμες πρακτικές, όπως η προσθήκη φυτικού εδάφους και επανασπορά με διάφορα προσαρμοσμένα φυτικά είδη. Αντίθετα, μια αργή ανάκαμψη της υγείας και της αφθονίας της βλάστησης είναι πολύ πιθανό να συμβεί σε μια τοποθεσία μετά το κλείσιμο του ορυχείου χωρίς να υποστούν σημαντικές προσπάθειες ενεργού βλάστησης. Αυτό είναι σύμφωνο με μια ασθενή αυξητική τάση NDVI που ποσοτικοποιήθηκε για το Pine Point, το οποίο δεν υποβλήθηκε σε σημαντικές προσπάθειες ενεργού αναβλάστησης και περιορίστηκε μόνο με ένα λεπτό μείγμα άμμου και χαλικιού για την πρόληψη της σκόνης. Η υψηλή συγκέντρωση μεταλλικών μολυσματικών ουσιών θα μπορούσε να οδηγήσει σε φυτοτοξικότητα, ανεπάρκειες θρεπτικών ουσιών και κακή υφή του εδάφους, τα οποία δεν ευνόησαν την εγκατάσταση βλάστησης. Παρόμοια αποτελέσματα παρατηρήθηκαν για το παθητικά αναζωογονημένο ορυχείο Clinton Greek Mine στο Yukon και τις τοποθεσίες ορυχείων μολύβδου και ψευδαργύρου στην Κίνα. Η ανίχνευση αλλαγών που προέρχεται από ταξινόμηση δορυφορικών εικόνων είναι επίσης μια σημαντική μέθοδος για την αξιολόγηση της αναβλάστησης του ορυχείου. Οι προκύπτοντες χάρτες ταξινόμησης και ανίχνευσης αλλαγών τεκμηρίωσαν περαιτέρω την αλλαγή της βλάστησης που προέκυψε από την ανάλυση NDVI. Το Wapisiw Lookout και το Gateway Hill έχουν φτάσει ή πλησιάσει την αντίστοιχη χωρητικότητα επαναβλάστησης, ενώ στα Pine Point Mine, Stanrock και Clinton Creek Mine έχουν απομείνει σημαντικά θραύσματα γυμνής γης ή/και υδάτινης επιφάνειας, γεγονός που δείχνει ότι υπάρχει χώρος για περαιτέρω αποκατάσταση της βλάστησης. Ο δείκτης RI παρέχει ένα ποσοτικό μέτρο του επιπέδου αναβλάστησης κι όσο υψηλότερο RI σημαίνει λιγότερες διαταραχές λόγω καλύτερης ανάκτησης βλάστησης. Η ανάλυση RI επιβεβαιώνει ότι οι βιώσιμες πρακτικές που περιλαμβάνουν ενεργητική βλάστηση μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά την ανάκτηση της υγείας και της αφθονίας της βλάστησης σε διαταραγμένες περιοχές εξόρυξης στον Καναδά, επειδή το RI που προκύπτει από μια ενεργή αναβλάστηση ξεπέρασε σημαντικά το RI που βιώνει μόνο μια παθητική βλάστηση. Η αξιολόγηση και παρακολούθηση της ανάκτησης βάσει τηλεπισκόπησης επηρρεάζεται από ορισμένους περιορισμούς. Ένας περιορισμός είναι ότι η χωρική ανάλυση των εικόνων Landsat κατέστησε δύσκολη τη χαρτογράφηση οποιασδήποτε αλλαγής κάλυψης γης σε μικρότερη κλίμακα (<30 m), γι’ αυτό θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν σε συνδυασμό με την επιτόπια έρευνα για να βελτιωθεί η ακρίβεια της αξιολόγησης. Εναλλακτικά, συνιστώνται εικόνες από δορυφόρους πολύ υψηλής χωρικής ανάλυσης. Ένας άλλος περιορισμός είναι ότι η ανίχνευση εικόνων Landsat υπόκειται σε καιρικές συνθήκες, όπως η κάλυψη σύννεφων, η οποία θα μπορούσε να προκαλέσει ορισμένα κενά για τη μακροπρόθεσμη παρακολούθηση. Στο μέλλον, η τηλεπισκόπηση μικροκυμάτων, η οποία είναι λιγότερο επιρρεπής στην κάλυψη σύννεφων, μπορεί να χρησιμοποιηθεί με τις εικόνες Landsat χωρίς σύννεφα για την παροχή καλύτερης χρονικής κάλυψης. 

''' 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Οι τεχνικές τηλεπισκόπησης και οι εικόνες Landsat είναι κατάλληλες για μακροπρόθεσμη παρακολούθηση της ανάκτησης βλάστησης σε τοποθεσίες μετά το κλείσιμο ορυχείων στον Καναδά. Η ενεργός ανάκτηση και βλάστηση είναι μια κρίσιμης σημασίας βιώσιμη πρακτική για το κλείσιμο ενός ορυχείου, ενώ η παθητική αποκατάσταση από μόνη της τυπικά δεν μπορεί να προσφέρει επαρκή ποσοστά αλλαγής κάλυψης γης και έκταση βλάστησης σε μολυσμένες τοποθεσίες. Η ποσοτικοποιημένη συμπεριφορά ανάκτησης του ορυχείου και οι σχετικές βιώσιμες πρακτικές θα παρέχουν σημαντική καθοδήγηση για τη βιώσιμη διαχείριση πόρων βάσει στοιχείων στον Καναδά και σε όλο τον κόσμο. 

[[category:Δασοπονία, Δασική διαχείριση]]

Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών χρησιμοποιώντας GIS και τεχνικές τηλεπισκόπησης

2024-02-16T11:42:45Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Estimation of Crop Water Productivity Using GIS and Remote Sensing Techniques''

'''Συγγραφείς: ''' Zenobia Talpur, Arjumand Z. Zaidi, Suhail Ahmed, Tarekegn Dejen Mengistu, Si-Jung Choi, Il-Moon Chung

'''Δημοσιεύθηκε: '''''Sustainability 2023, 15, 11154. https://doi.org/10.3390/su151411154 ''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Γεωργία, υδατικοί πόροι, αρδευτικό σύστημα

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών στην περιοχή της Σινδ '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_G_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Θέση της περιοχής μελέτης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Τύποι και πηγές δεδομένων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' (a) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Rabi, (b) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Kharif , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2014–2015), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2016–2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (2017), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας σιταριού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας βαμβακιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας ρυζιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

Ο αγροτικός τομέας καταναλώνει το 90% του παγκόσμιου νερού, από το οποίο το 40% των καλλιεργειών παράγεται μέσω του συστήματος άρδευσης. Η μη βιώσιμη γεωργία δεν μπορεί να επιτύχει τις διατροφικές απαιτήσεις για τον αυξανόμενο πληθυσμό και ο αγροτικός τομέας αντιμετωπίζει προκλήσεις χαμηλής παραγωγικότητας νερού των καλλιεργειών, έτσι η χρήση του νερού πρέπει να βελτιστοποιηθεί για να παράγει περισσότερα τρόφιμα. Ο αγροτικός τομέας του Πακιστάν συνεισφέρει το 24% της Ακαθάριστης Εγχώριας Παραγωγής και απασχολεί το 45% του συνολικού εργατικού δυναμικού του. Το Πακιστάν έχει δύο κύριες περιόδους καλλιέργειας - Rabi and Kharif. Η καλλιέργεια Kharif εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ποσότητα και την κατανομή των βροχοπτώσεων, ειδικά κατά την περίοδο των μουσώνων. Το σύστημα καναλιών του ποταμού Ινδού υποστηρίζει κυρίως τη γεωργία. Το φράγμα Sukkur είναι το παλαιότερο από αυτά. Πριν από το φράγμα Sukkur, χτίστηκε το κανάλι Rohri μήκους 350 χιλιομέτρων, ένα από τα παλαιότερα κανάλια, το οποίο ποτίζει αγροκτήματα στην αριστερή όχθη του ποταμού Ινδού κάτω από το φράγμα Sukkur και περίπου 2,9 εκατομμύρια στρέμματα γεωργικής γης αντλούν νερό από αυτό σε εννέα περιοχές. Επίσης, ποτίζει εδάφη μέχρι την παράκτια περιοχή της Σινδ για οπωρώνες και περιοχές όπου καλλιεργούνται καλλιέργειες όπως το ζαχαροκάλαμο, το βαμβάκι και το σιτάρι. Η φθίνουσα διαθεσιμότητα νερού στο Πακιστάν είναι ανησυχητική, λόγω της ταχείας αστικοποίησης και εκβιομηχάνισης τα τελευταία πενήντα χρόνια. Εκτός από τον ποταμό Ινδό, άλλοι υδατικοί πόροι στο Πακιστάν είναι τα υπόγεια ύδατα και η βροχόπτωση. Ωστόσο, τα υπόγεια ύδατα εξαντλούνται με τεράστιο ρυθμό λόγω της εκτεταμένης υπερεκμετάλλευσης. Η ανάγκη για άρδευση έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία 20 χρόνια λόγω της επέκτασης της περιοχής καλλιέργειας. Η παροχή νερού ήταν μικρότερη από το 26% των απαιτήσεων σε νερό των καλλιεργειών το καλοκαίρι του 2012, ενώ το χειμώνα, ήταν περίπου 20% πλεόνασμα. Ο ποταμός Ινδός έχει παραγωγικότητα 54%, ενώ η παραγωγικότητα του αρδευτικού συστήματος της Σινδ είναι μόλις 35%. Το κύριο πρόβλημα διαχείρισης του νερού είναι η έλλειψη νερού στις αρχές της περιόδου που ακολουθείται από υπερβολικό νερό με την έναρξη των μουσώνων. Οι αρχές της αποδοτικότητας του νερού βοηθούν στην αξιολόγηση της τρέχουσας παραγωγής και στη διερεύνηση στρατηγικών για την εξοικονόμηση πραγματικού νερού από τα χωράφια στις λεκάνες απορροής. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι η ιδέα να αξιοποιήσετε στο έπακρο τις καλλιέργειες, τα ζώα και άλλα πράγματα, ενώ χρησιμοποιείτε τη λιγότερη δυνατή ποσότητα νερού. Τα δεδομένα σχετικά με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται από τις καλλιέργειες πρέπει να λαμβάνονται ως προαπαιτούμενο πριν από τη χρήση αυτής της στρατηγικής. Η χρήση τιμών εξατμισοδιαπνοής (ET) για την επίλυση απλών εξισώσεων για τον προσδιορισμό της ποσότητας του νερού που καταναλώνεται μπορεί, επομένως, να είναι μια λύση σε αυτό το χρονικά περιορισμένο πρόβλημα. Οι πραγματικές μετρήσεις εξατμισοδιαπνοής (ETa) λαμβάνονται από δορυφορικές φωτογραφίες για επεξεργασία. Αυτή η μελέτη αναλύει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) και τη παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών σιταριού, ρυζιού και βαμβακιού σε εννέα περιοχές της Σινδ εντός της περιοχής διοίκησης του Καναλιού Rohri και θα βοηθήσει στον εντοπισμό περιοχών υψηλών γεωργικών επιδόσεων και θα παρέχει πληροφορίες για τη διαχείριση του συστήματος άρδευσης, οδηγώντας σε βιώσιμη παραγωγικότητα του νερού. Η τηλεπισκόπηση παρέχει μεγάλης κλίμακας δεδομένα εξατμισοδιαπνοής. Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε μια ισχυρή πύλη δεδομένων που βασίζεται στην τηλεπισκόπηση — ροή εξατμισοδιαπνοής του Google Earth Engine (EEFlux) που βασίζεται στη «Χαρτογράφηση εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερική βαθμονόμηση (METRIC)». Αυτός ο ιστότοπος δεδομένων έχει μεγάλες δυνατότητες εκτίμησης του ETa. Το METRIC είναι μια τροποποιημένη έκδοση του «Αλγόριθμου Επιφανειακής Εξισορρόπησης Ενέργειας για Γη (SEBAL), που χρησιμοποιείται στις μέρες μας για τη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής. Το METRIC απαιτεί χειροκίνητες επιλογές εικονοστοιχείων, επομένως έχουν αναπτυχθεί μοντέλα αυτόματης βαθμονόμησης λόγω αβεβαιότητας που μπορεί να προκύψει κατά τη βαθμονόμησή του με διαφορετικούς χρήστες. Τα αυτόματα μοντέλα απαιτούν επίσης τεράστια προεπεξεργασία, όπως η συναρμολόγηση διαφόρων στρωμάτων, το τοπικό κλίμα, τα δορυφορικά δεδομένα, οι χρήσεις γης/κάλυψη, οι χάρτες εδάφους και η εισαγωγή δεδομένων. Το EEFlux όχι μόνο παρέχει έναν αυτόματο μηχανισμό εισαγωγής δεδομένων, αλλά συνδέεται επίσης με το Google Earth Engine (GEE) με τον αλγόριθμο METRIC και παρέχει χάρτες για το Landsat 5, 7, ή 8. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν εικόνες Landsat 5 και 8. 

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Περιγραφή της Περιοχής Μελέτης '''

Το κανάλι Rohri είναι ένα κύριο συστατικό του γεωργικού τομέα στη Σινδ και είναι ένα τεχνητό κανάλι χτισμένο στο φράγμα Sukkur με 2,6 εκατομμύρια στρέμματα για άρδευση. Η περιοχή διοίκησης του καναλιού Rohri καλύπτει και παρέχει νερό σε μεγάλα τμήματα των εννέα περιοχών της Σινδ και βρίσκεται σε θερμό κλίμα με ετήσια βροχόπτωση που δεν υπερβαίνει τα 200 mm και ελάχιστη θερμοκρασία 18 ◦C. Οι κύριες καλλιέργειες που παράγονται σε αυτές τις περιοχές είναι το βαμβάκι και το σιτάρι. Το ρύζι καλλιεργείται επίσης σε αυτήν την περιοχή, αλλά δεν συγκαταλέγεται στις κύριες καλλιέργειες. 

''' 2.2. Μεθοδολογία '''

Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών ορίζεται ως η αναλογία της απόδοσης της καλλιέργειας διαιρούμενη με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται για την παραγωγή της και υπολογίστηκε για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι για τη περίοδο Kharif (1998 και 2017) και Rabi (2014–2015 και 2016–2017). Μετρήθηκε σε kg/m3 και οι χρήσεις του νερού των καλλιεργειών, ή ETa, υπολογίζονται από δεδομένα τηλεπισκόπησης. Χρησιμοποιώντας δορυφορικά δεδομένα, η χρήση του νερού των καλλιεργειών μπορεί να μετρηθεί σε μεγαλύτερες χρονικές και χωρικές κλίμακες. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως η άρδευση, η γονιμότητα του εδάφους, ο έλεγχος παρασίτων και ασθενειών και συχνά αυξάνεται από οποιονδήποτε διαχειριστικό παράγοντα που βελτιώνει την παραγωγή των καλλιεργειών, καθώς η εξατμισοδιαπνοή είναι συνήθως λιγότερο αντιδραστική στις αλλαγές αυτών των παραγόντων από την απόδοση. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι απαραίτητη για την κατανόηση της σχέσης μεταξύ νερού και τροφής και οι τιμές της για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι εκτιμήθηκαν χρησιμοποιώντας την εξίσωση (1): 

<center> ''' CWP = y (Yield) /ETa , (1) ''' </center>

όπου, η CWP είναι η Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών (kg/m3 ), το y αντιπροσωπεύει την απόδοση (kg/m2 ), το ETa είναι η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (m3/ha1). Για αυτήν τη μελέτη, η αρδευόμενη περιοχή και οι αποδόσεις σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού ελήφθησαν από το τμήμα υπηρεσιών αναφοράς καλλιεργειών στο Χαϊντεραμπάντ. 

''' 2.3. Σύνολα δεδομένων '''

''' 2.3.1. Δεδομένα καλλιεργειών '''

Τα δεδομένα για τις καλλιέργειες ελήφθησαν από τη στατιστική έκθεση της Σινδ και το τμήμα γεωργίας.

''' 2.3.2. Crop Masks '''

Crop Masks μπορεί να οριστεί ως η χωρική πληροφορία της κατανομής των διαφόρων καλλιεργειών. Crop Masks για το σιτάρι (2013–2014), το βαμβάκι και το ρύζι (2014–2015) αναπτύχθηκαν από τον Οργανισμό Τροφίμων και Γεωργίας και το Υπουργείο Γεωργίας των Ηνωμένων Πολιτειών ως μέρος του έργου «Γεωργικό Πληροφοριακό Σύστημα - Δημιουργία επαρχιακής ικανότητας στο Πακιστάν για την εκτίμηση, την πρόβλεψη και την αναφορά των καλλιεργειών με βάση την ολοκληρωμένη χρήση των δεδομένων τηλεπισκόπησης». Οι δορυφορικές εικόνες SPOT-5 έχουν χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή αυτών των Crop Masks. 

''' 2.3.3. Εξατμισοδιαπνοή Αναφοράς'''

Για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr), υποθέσαμε ότι η γη ήταν καλυμμένη με γρασίδι και υπολογίσαμε την εξατμισοδιαπνοή από αυτό το γρασίδι. Για τη λεκάνη του Ινδού, σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιούνται τιμές εξατμισοδιαπνοής αναφοράς χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Penman–Monteith.

''' 2.3.4. Δεδομένα Τηλεπισκόπησης '''

Οι εικόνες Landsat λαμβάνονται από την πύλη Earth Engine Evapotranspiration Flux (EEFlux), η οποία παρέχει επεξεργασμένες εικόνες Landsat 5 και 8. Βασίζεται στη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερικοποιημένη βαθμονόμηση και η διαδικασία που βασίζεται στην εικόνα Landsat λειτουργεί στο σύστημα Google Earth Engine. Η χρονική ανάλυση είναι 16 ημέρες με χωρική ανάλυση 30 m. Χρησιμοποιώντας την εξίσωση Penman-Monteith, το EEFlux περιλαμβάνει σύστημα αφομοίωσης δεδομένων γης της Βόρειας Αμερικής για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr). Τα έτη 1998, 2017, 2014–2015 και 2016–2017 επιλέχθηκαν με βάση τις χαμηλές και υψηλές ροές που προέκυψαν από τα δεδομένα ροής χρησιμοποιώντας την ανάλυση συχνότητας. 

''' 2.3.5. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Το EEFlux παρέχει βαθμονομημένες εικόνες που αποδίδουν μια τιμή εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr) σε κάθε εικονοστοιχείο και η τιμή της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) ανά ημέρα υπολογίστηκε πολλαπλασιάζοντας την ETr και την πιθανή εξατμισοδιαπνοή ETo. Εικόνες Landsat εξήγαγαν την ETr από τις καλλιέργειες σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού. Οι ημερομηνίες αναφοράς του παράγοντα εξατμισοδιαπνοής (ETrf) επιλέχθηκαν από τα Πρότυπα του Τμήματος Άρδευσης της Σινδ και από τη χρονική περίοδο των σταδίων ανάπτυξης της καλλιέργειας από την αρχική έως την ωριμότητα. Ωστόσο, κάθε καλλιέργεια έχει διαφορετικές χρονικές περιόδους ανάπτυξης. Η ETa θεωρείται ως κατάλοιπο του ενεργειακού ισοζυγίου της επιφάνειας. Δίνεται στην Εξίσωση (2).

<center> ''' LE = Rn − H − G, (2) ''' </center>

όπου, LE είναι η λανθάνουσα ροή θερμότητας, Rn είναι καθαρή ακτινοβολία, G είναι ροή θερμότητας του εδάφους και H είναι αισθητή ροή θερμότητας. Ο ETrF (συντελεστής εξατμισοδιαπνοής αναφοράς) υπολογίστηκε με την Εξίσωση (3) και η σωρευτική ETa για κάθε εποχή υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας την Εξίσωση (4) για διαφορετικές φάσεις ανάπτυξης της καλλιέργειας, συμπεριλαμβανομένων των σταδίων αρχικής, ανάπτυξης, ανθοφορίας και ωριμότητας. 

<center> ''' ETrF = ETa/ETr(Re f erence ET) , (3) ''' </center>

<center> ''' ETseason = ETrFseasonΣ n q ETr−24, (4) ''' </center>

όπου, το ETrf αντιπροσωπεύει το ET αναφοράς για μια συγκεκριμένη περίοδο σταδίου ανάπτυξης, το ETr−24 είναι ένα ημερήσιο ET αναφοράς για συγκεκριμένο αριθμό ημερών, το n υποδηλώνει αριθμό ημερών και ελήφθησαν οι τιμές ETr της απαιτούμενης περιοχής εντολής καναλιού. 

''' 2.4. Ημερολόγια καλλιεργειών '''

Το ημερολόγιο καλλιεργειών διαφέρει για διαφορετικές περιοχές αλλά και από καλλιέργεια σε καλλιέργεια, όπως το σιτάρι που καλλιεργείται στο Rabi και το βαμβάκι που καλλιεργείται στο Kharif. Για τον υπολογισμό της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) χρησιμοποιήθηκαν ημερολόγια καλλιέργειας για τις μεσαίες και κατώτερες περιοχές της Σινδ. Οι ημερομηνίες για το μεσαίο και το κάτω μέρος της Σινδ είναι διαφορετικές για τη σπορά και τη συγκομιδή, δηλαδή, το αρχικό στάδιο σποράς στην κάτω Σινδ ξεκινά ένα μήνα νωρίτερα απ'οτι στη μεσαία. Η καλλιέργεια σιταριού της εποχής Rabi ξεκινά τον Οκτώβριο και τον Νοέμβριο, αντίστοιχα, στα κάτω και στα ανώτερα τμήματα της επαρχίας. Αντίθετα, οι καλλιέργειες βαμβακιού και ρυζιού καλλιεργούνται την περίοδο Kharif από τον Απρίλιο. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΕΙΣ '''

''' 3.1. Ροές ποταμών '''

Αξιολογήθηκαν οι ετήσιες εποχιακές ροές. Ωστόσο, η εξίσωση (4α) δείχνει το μέσο διάστημα δύο εκφορτίσεων ίσου (ή μεγαλύτερου) μεγέθους σε χρόνια μεταξύ των εμφανίσεων που είναι γνωστό ως Διάστημα Υποτροπής (RI). 

<center> ''' RI = (Ν + 1)/Μ , (4α) ''' </center>

όπου, RI = Διάστημα υποτροπής, N = Μέγιστη Ετήσια Απόρριψη, Μ = Κατάταξη (για τη μεγαλύτερη κατάταξη ροής M = 1 και τη μικρότερη κατάταξη ροής M = n ή 21 σε αυτήν τη μελέτη). Η εξίσωση (4β) μπορεί να ορίσει μια πιθανότητα ενός δεδομένου μεγέθους μιας πλημμύρας κάθε χρόνο.

<center> ''' P = (1/RI)× 100 , (4β) ''' </center>

σύμφωνα με τις ροές της σεζόν Rabi από το 1998–1999 έως το 2018–2019 του φράγματος Sukkur, οι τάξεις κατανεμήθηκαν και ταξινομήθηκαν σε υψηλή, μεσαία και χαμηλή. Η πιθανότητα υπέρβασης (P) έχει υπολογιστεί για την εποχή Rabi κατά την οποία καλλιεργούνται οι καλλιέργειες σιταριού. Υπήρξε υψηλή ροή το 2014–2015 και η μέση ροή καταγράφηκε το 2003–2004. Τα έτη 2016-2017 θεωρήθηκε μέσης ροής, ενώ το 2001-2002 θεωρήθηκε έτος χαμηλής ροής. Οι ροές της εποχής Kharif από το 1998 έως το 2017 του φράγματος Sukkur κατηγοριοποιήθηκαν και αυτές ως υψηλές, μεσαίες και χαμηλές. Το 2010 λόγω της πλημμύρας του ποταμού, προκαλεί ζημιές στη Σινδ, ενώ το 1998 επιλέχθηκε ως το έτος υψηλής ροής (επόμενο υψηλότερο μετά το 2010). Το έτος μέσης ροής ήταν το 2017 και το έτος χαμηλής ροής ήταν το 2004. Σε αυτή τη μελέτη αναλύθηκαν καλλιέργειες ρυζιού και βαμβακιού που καλλιεργήθηκαν την περίοδο Kharif. 

''' 3.2. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Υπολογίστηκε η πραγματική μηνιαία εξατμισοδιαπνοή, η οποία υπολογίζει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας (CWP). Μπορεί να παρατηρηθεί ότι το αρχικό στάδιο έχει τη χαμηλότερη ETa, ενώ το στάδιο της ανθοφορίας έχει την υψηλότερη εξατμισοδιαπνοή αφού σε αυτό το στάδιο απαιτείται περισσότερο νερό για την ανάπτυξη των φυτών.

''' 3.2.1. Καλλιέργεια Σιταριού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή έχει υπολογιστεί χρησιμοποιώντας crop masks για τα τέσσερα στάδια: αρχικό, ανάπτυξη της καλλιέργειας, ανθοφορία και ωριμότητα. Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή της εποχής Rabi της καλλιέργειας σίτου, υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας τα ETrf και ETr. Η ETa είναι χαμηλή στο αρχικό στάδιο, καθώς είναι το στάδιο της σποράς, ενώ η ETa ήταν υψηλότερη στο στάδιο της ανθοφορίας (2014–2015). Η τιμή της ETa για την περίοδο 2016–2017 είναι χαμηλότερη από την τιμή για την περίοδο 2014–2015.

''' 3.2.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή ήταν περισσότερη για την καλλιέργεια βαμβακιού παρά για το σιτάρι. Την περιόδο Kharif του 1998 η ροή ήταν υψηλή, ενώ την υψηλότερη τιμή ETa είχε το 2017, υψηλότερη από το 1998. Το 2017 οι ροές ήταν κανονικές/μέτριες. Αυτό δείχνει ότι οι υψηλότερες ροές δεν συνδέονται απαραίτητα με υψηλότερες τιμές ETa. 

''' 3.2.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας ρυζιού το 1998, ήταν υψηλότερη από το σιτάρι και το βαμβάκι, καθώς το ρύζι καταναλώνει περισσότερο νερό. Το ρύζι δεν είναι η κύρια καλλιέργεια της Σινδ, ωστόσο, καλλιεργείται στις συνοικίες της, ενώ, απαγορεύεται στην Κάτω Σινδ λόγω λειψυδρίας. 

''' 3.3. Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών Κύριων Καλλιεργειών '''

''' 3.3.1. Καλλιέργεια Σιταριού (2014-2015 και 2016-2017) '''

Η μέση παγκόσμια CWP σιταριού είναι 0,86 kg/m3 έως 1,80 kg/m3. Υπάρχουν τρεις παγκόσμιες κατηγορίες για CWP σίτου: χαμηλή (<= 0,75 kg/m3), μεσαία (> 0,75 kg/m3 έως < 1,10 kg/m3) και υψηλή (>= 1,10 kg/m3). Για το Πακιστάν, η μέση CWP είναι 0,80 kg/m3 έως 0,91 kg/m3, η οποία εμπίπτει στη μεσαία κατηγορία. Υπήρξε υψηλότερη ροή το 2014-2015, ενώ το 2016-2017 ήταν μέτρια. Η μέση CWP για την καλλιέργεια σιταριού ήταν 1,03 kg/m3 το 2014–2015 και 1,02 kg/m3 το 2016-2017. Συνολικά, η CWP της καλλιέργειας σιταριού είναι κάτω από το αναφερόμενο εύρος, δηλαδή μεταξύ 0,32 kg/m3 έως 1,08 kg/m3. Λόγω της υπερχείλισης, της αλατότητας, των συνθηκών του εδάφους και της έλλειψης διαθεσιμότητας υπόγειων υδάτων, η CWP της Σινδ είναι μικρότερη από το Παντζάμπ. Η απόδοση σιταριού της Σινδ είναι 33% μικρότερη από την απόδοση σιταριού του Παντζάμπ.

''' 3.3.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Για τα έτη 1998 και 2017, την εποχή Kharif, οι τιμές CWP της καλλιέργειας βαμβακιού ήταν σταθερές. Οι μέσες CWP της περιοχής μελέτης των καλλιεργειών βαμβακιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,12 kg/m3 και 0,16 kg/m3,αντίστοιχα. 

''' 3.3.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Οι περισσότερες από τις καλλιέργειες που επιλέχθηκαν σε αυτή τη μελέτη είναι κύριες καλλιέργειες, εκτός από το ρύζι. Το ρύζι είναι μια από τις άλλες καλλιέργειες που η κυβέρνηση της Σινδ απαγόρευσε λόγω της έλλειψης νερού, ωστόσο, το ρύζι καλλιεργήθηκε το 1998 σε όλη τη Σινδ. Συνολικά, οι μέσες τιμές CWP ρυζιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,32 kg/m3 και 0,54 kg/m3, αντίστοιχα. Δεδομένου ότι το ρύζι δεν απαγορεύτηκε το 1998 στην περιοχή μελέτης, το νερό για άλλες καλλιέργειες χρησιμοποιήθηκε για το ρύζι. Οι άλλες καλλιέργειες πήραν αρκετό νερό μετά τη διακοπή της καλλιέργειας ρυζιού.

''' 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Αυτή η μελέτη υπολόγισε την παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών (CWP) του σιταριού, του βαμβακιού και του ρυζιού του Καναλιού Rohri, χρησιμοποιώντας δεδομένα τηλεπισκόπησης στο περιβάλλον GIS. Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή υπολογίστηκε για τις εννέα περιοχές για δύο εποχές Rabi (2014 -2015 και 2016–2017) και δύο εποχές Kharif (1998 και 2017). Τα έτη επιλέχθηκαν με βάση τις υψηλές και μέτριες ροές που περνούσαν από το φράγμα Sukkur. Η ETa εξαρτάται από τον τύπο της καλλιέργειας, διότι ορισμένες καλλιέργειες χρειάζονται περισσότερο νερό από άλλες. Τα αποτελέσματα της μελέτης συνόψισαν ότι η εκτίμηση της πραγματικής ET είναι ζωτικής σημασίας για τη διαχείριση του νερού άρδευσης και των συνθηκών καταπόνησης των καλλιεργειών. Αυτή η χρήση του μοντέλου EEFlux για τη λήψη εικόνων ETrf είναι εφικτή για την επεξεργασία τους με ελάχιστη προσπάθεια. Η μέση CWP της καλλιέργειας σιταριού για την περίοδο 2014–2015 και 2016–2017 ήταν, αντίστοιχα, 1,03 kg/m3 και 1,02 kg/m3, ενώ η CWP αυξήθηκε το έτος 2014–2015 σε σύγκριση με το 2016–2017. Υπάρχει περιορισμός δεδομένων σε τρεις περιφέρειες (Matiyari, Tando Allahyar και Tando Muhammad Khan) σχετικά με την περιοχή καλλιέργειας και την παραγωγή βαμβακιού και ρυζιού το 1998, επομένως, υπολογίστηκε η μέσα CWP βαμβακιού και ρυζιού μόνο για έξι περιοχές. Το 1998, συνολικά, η CWP αυξήθηκε και για τις δύο καλλιέργειες, ωστόσο, το ρύζι έχει απαγορευτεί από την κυβέρνηση της Σινδ λόγω της έλλειψης νερού. Το ρύζι παίρνει περισσότερο νερό από άλλες καλλιέργειες και το εξοικονομημένο νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οικιακούς και βιομηχανικούς σκοπούς. Η CWP επηρεάζεται από γεωργικές πρακτικές που περιλαμβάνουν προετοιμασία γης, μεθόδους σποράς, ποιότητα σπόρων και εδάφους, εφαρμογή νερού και λιπασμάτων και έλεγχο ζιζανίων και παρασίτων. Η προτεινόμενη προσέγγιση είναι αρκετά εφικτή και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διαφορετικές περιοχές με διάφορες καλλιέργειες, ενώ προωθούνται τεχνικές τηλεπισκόπησης για την αποτελεσματική διαχείριση της φυτικής παραγωγής. 

[[category:Υδατικοί Πόροι]]
[[category:Γεωργία]]

Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών χρησιμοποιώντας GIS και τεχνικές τηλεπισκόπησης

2024-02-16T11:21:29Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Estimation of Crop Water Productivity Using GIS and Remote Sensing Techniques''

'''Συγγραφείς: ''' Zenobia Talpur, Arjumand Z. Zaidi, Suhail Ahmed, Tarekegn Dejen Mengistu, Si-Jung Choi, Il-Moon Chung

'''Δημοσιεύθηκε: '''''Sustainability 2023, 15, 11154. https://doi.org/10.3390/su151411154 ''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Γεωργία, υδατικοί πόροι, αρδευτικό σύστημα

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών στην περιοχή της Σινδ '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_G_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Θέση της περιοχής μελέτης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Τύποι και πηγές δεδομένων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' (a) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Rabi, (b) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Kharif , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2014–2015), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2016–2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (2017), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας σιταριού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας βαμβακιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας ρυζιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

Ο αγροτικός τομέας καταναλώνει το 90% του παγκόσμιου νερού, από το οποίο το 40% των καλλιεργειών παράγεται μέσω του συστήματος άρδευσης. Η μη βιώσιμη γεωργία δεν μπορεί να επιτύχει τις διατροφικές απαιτήσεις για τον αυξανόμενο πληθυσμό και ο αγροτικός τομέας αντιμετωπίζει προκλήσεις χαμηλής παραγωγικότητας νερού των καλλιεργειών, έτσι η χρήση του νερού πρέπει να βελτιστοποιηθεί για να παράγει περισσότερα τρόφιμα. Ο αγροτικός τομέας του Πακιστάν συνεισφέρει το 24% της Ακαθάριστης Εγχώριας Παραγωγής και απασχολεί το 45% του συνολικού εργατικού δυναμικού του. Το Πακιστάν έχει δύο κύριες περιόδους καλλιέργειας - Rabi and Kharif. Η καλλιέργεια Kharif εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ποσότητα και την κατανομή των βροχοπτώσεων, ειδικά κατά την περίοδο των μουσώνων. Το σύστημα καναλιών του ποταμού Ινδού υποστηρίζει κυρίως τη γεωργία. Το φράγμα Sukkur είναι το παλαιότερο από αυτά. Πριν από το φράγμα Sukkur, χτίστηκε το κανάλι Rohri μήκους 350 χιλιομέτρων, ένα από τα παλαιότερα κανάλια, το οποίο ποτίζει αγροκτήματα στην αριστερή όχθη του ποταμού Ινδού κάτω από το φράγμα Sukkur και περίπου 2,9 εκατομμύρια στρέμματα γεωργικής γης αντλούν νερό από αυτό σε εννέα περιοχές. Επίσης, ποτίζει εδάφη μέχρι την παράκτια περιοχή της Σινδ για οπωρώνες και περιοχές όπου καλλιεργούνται καλλιέργειες όπως το ζαχαροκάλαμο, το βαμβάκι και το σιτάρι. Η φθίνουσα διαθεσιμότητα νερού στο Πακιστάν είναι ανησυχητική, λόγω της ταχείας αστικοποίησης και εκβιομηχάνισης τα τελευταία πενήντα χρόνια. Εκτός από τον ποταμό Ινδό, άλλοι υδατικοί πόροι στο Πακιστάν είναι τα υπόγεια ύδατα και η βροχόπτωση. Ωστόσο, τα υπόγεια ύδατα εξαντλούνται με τεράστιο ρυθμό λόγω της εκτεταμένης υπερεκμετάλλευσης. Η ανάγκη για άρδευση έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία 20 χρόνια λόγω της επέκτασης της περιοχής καλλιέργειας. Η παροχή νερού ήταν μικρότερη από το 26% των απαιτήσεων σε νερό των καλλιεργειών το καλοκαίρι του 2012, ενώ το χειμώνα, ήταν περίπου 20% πλεόνασμα. Ο ποταμός Ινδός έχει παραγωγικότητα 54%, ενώ η παραγωγικότητα του αρδευτικού συστήματος της Σινδ είναι μόλις 35%. Το κύριο πρόβλημα διαχείρισης του νερού είναι η έλλειψη νερού στις αρχές της περιόδου που ακολουθείται από υπερβολικό νερό με την έναρξη των μουσώνων. Οι αρχές της αποδοτικότητας του νερού βοηθούν στην αξιολόγηση της τρέχουσας παραγωγής και στη διερεύνηση στρατηγικών για την εξοικονόμηση πραγματικού νερού από τα χωράφια στις λεκάνες απορροής. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι η ιδέα να αξιοποιήσετε στο έπακρο τις καλλιέργειες, τα ζώα και άλλα πράγματα, ενώ χρησιμοποιείτε τη λιγότερη δυνατή ποσότητα νερού. Τα δεδομένα σχετικά με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται από τις καλλιέργειες πρέπει να λαμβάνονται ως προαπαιτούμενο πριν από τη χρήση αυτής της στρατηγικής. Η χρήση τιμών εξατμισοδιαπνοής (ET) για την επίλυση απλών εξισώσεων για τον προσδιορισμό της ποσότητας του νερού που καταναλώνεται μπορεί, επομένως, να είναι μια λύση σε αυτό το χρονικά περιορισμένο πρόβλημα. Οι πραγματικές μετρήσεις εξατμισοδιαπνοής (ETa) λαμβάνονται από δορυφορικές φωτογραφίες για επεξεργασία. Αυτή η μελέτη αναλύει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) και τη παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών σιταριού, ρυζιού και βαμβακιού σε εννέα περιοχές της Σινδ εντός της περιοχής διοίκησης του Καναλιού Rohri και θα βοηθήσει στον εντοπισμό περιοχών υψηλών γεωργικών επιδόσεων και θα παρέχει πληροφορίες για τη διαχείριση του συστήματος άρδευσης, οδηγώντας σε βιώσιμη παραγωγικότητα του νερού. Η τηλεπισκόπηση παρέχει μεγάλης κλίμακας δεδομένα εξατμισοδιαπνοής. Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε μια ισχυρή πύλη δεδομένων που βασίζεται στην τηλεπισκόπηση — ροή εξατμισοδιαπνοής του Google Earth Engine (EEFlux) που βασίζεται στη «Χαρτογράφηση εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερική βαθμονόμηση (METRIC)». Αυτός ο ιστότοπος δεδομένων έχει μεγάλες δυνατότητες εκτίμησης του ETa. Το METRIC είναι μια τροποποιημένη έκδοση του «Αλγόριθμου Επιφανειακής Εξισορρόπησης Ενέργειας για Γη (SEBAL), που χρησιμοποιείται στις μέρες μας για τη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής. Το METRIC απαιτεί χειροκίνητες επιλογές εικονοστοιχείων, επομένως έχουν αναπτυχθεί μοντέλα αυτόματης βαθμονόμησης λόγω αβεβαιότητας που μπορεί να προκύψει κατά τη βαθμονόμησή του με διαφορετικούς χρήστες. Τα αυτόματα μοντέλα απαιτούν επίσης τεράστια προεπεξεργασία, όπως η συναρμολόγηση διαφόρων στρωμάτων, το τοπικό κλίμα, τα δορυφορικά δεδομένα, οι χρήσεις γης/κάλυψη, οι χάρτες εδάφους και η εισαγωγή δεδομένων. Το EEFlux όχι μόνο παρέχει έναν αυτόματο μηχανισμό εισαγωγής δεδομένων, αλλά συνδέεται επίσης με το Google Earth Engine (GEE) με τον αλγόριθμο METRIC και παρέχει χάρτες για το Landsat 5, 7, ή 8. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν εικόνες Landsat 5 και 8. 

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Περιγραφή της Περιοχής Μελέτης '''

Το κανάλι Rohri είναι ένα κύριο συστατικό του γεωργικού τομέα στη Σινδ και είναι ένα τεχνητό κανάλι χτισμένο στο φράγμα Sukkur με 2,6 εκατομμύρια στρέμματα για άρδευση. Η περιοχή διοίκησης του καναλιού Rohri καλύπτει και παρέχει νερό σε μεγάλα τμήματα των εννέα περιοχών της Σινδ και βρίσκεται σε θερμό κλίμα με ετήσια βροχόπτωση που δεν υπερβαίνει τα 200 mm και ελάχιστη θερμοκρασία 18 ◦C. Οι κύριες καλλιέργειες που παράγονται σε αυτές τις περιοχές είναι το βαμβάκι και το σιτάρι. Το ρύζι καλλιεργείται επίσης σε αυτήν την περιοχή, αλλά δεν συγκαταλέγεται στις κύριες καλλιέργειες. 

''' 2.2. Μεθοδολογία '''

Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών ορίζεται ως η αναλογία της απόδοσης της καλλιέργειας διαιρούμενη με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται για την παραγωγή της και υπολογίστηκε για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι για τη περίοδο Kharif (1998 και 2017) και Rabi (2014–2015 και 2016–2017). Μετρήθηκε σε kg/m3 και οι χρήσεις του νερού των καλλιεργειών, ή ETa, υπολογίζονται από δεδομένα τηλεπισκόπησης. Χρησιμοποιώντας δορυφορικά δεδομένα, η χρήση του νερού των καλλιεργειών μπορεί να μετρηθεί σε μεγαλύτερες χρονικές και χωρικές κλίμακες. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως η άρδευση, η γονιμότητα του εδάφους, ο έλεγχος παρασίτων και ασθενειών και συχνά αυξάνεται από οποιονδήποτε διαχειριστικό παράγοντα που βελτιώνει την παραγωγή των καλλιεργειών, καθώς η εξατμισοδιαπνοή είναι συνήθως λιγότερο αντιδραστική στις αλλαγές αυτών των παραγόντων από την απόδοση. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι απαραίτητη για την κατανόηση της σχέσης μεταξύ νερού και τροφής και οι τιμές της για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι εκτιμήθηκαν χρησιμοποιώντας την εξίσωση (1): 

<center> ''' CWP = y (Yield) /ETa , (1) ''' </center>

όπου, η CWP είναι η Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών (kg/m3 ), το y αντιπροσωπεύει την απόδοση (kg/m2 ), το ETa είναι η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (m3/ha1). Για αυτήν τη μελέτη, η αρδευόμενη περιοχή και οι αποδόσεις σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού ελήφθησαν από το τμήμα υπηρεσιών αναφοράς καλλιεργειών στο Χαϊντεραμπάντ. 

''' 2.3. Σύνολα δεδομένων '''

''' 2.3.1. Δεδομένα καλλιεργειών '''

Τα δεδομένα για τις καλλιέργειες ελήφθησαν από τη στατιστική έκθεση της Σινδ και το τμήμα γεωργίας.

''' 2.3.2. Crop Masks '''

Crop Masks μπορεί να οριστεί ως η χωρική πληροφορία της κατανομής των διαφόρων καλλιεργειών. Crop Masks για το σιτάρι (2013–2014), το βαμβάκι και το ρύζι (2014–2015) αναπτύχθηκαν από τον Οργανισμό Τροφίμων και Γεωργίας και το Υπουργείο Γεωργίας των Ηνωμένων Πολιτειών ως μέρος του έργου «Γεωργικό Πληροφοριακό Σύστημα - Δημιουργία επαρχιακής ικανότητας στο Πακιστάν για την εκτίμηση, την πρόβλεψη και την αναφορά των καλλιεργειών με βάση την ολοκληρωμένη χρήση των δεδομένων τηλεπισκόπησης». Οι δορυφορικές εικόνες SPOT-5 έχουν χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή αυτών των Crop Masks. 

''' 2.3.3. Εξατμισοδιαπνοή Αναφοράς'''

Για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr), υποθέσαμε ότι η γη ήταν καλυμμένη με γρασίδι και υπολογίσαμε την εξατμισοδιαπνοή από αυτό το γρασίδι. Για τη λεκάνη του Ινδού, σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιούνται τιμές εξατμισοδιαπνοής αναφοράς χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Penman–Monteith.

''' 2.3.4. Δεδομένα Τηλεπισκόπησης '''

Οι εικόνες Landsat λαμβάνονται από την πύλη Earth Engine Evapotranspiration Flux (EEFlux), η οποία παρέχει επεξεργασμένες εικόνες Landsat 5 και 8. Βασίζεται στη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερικοποιημένη βαθμονόμηση και η διαδικασία που βασίζεται στην εικόνα Landsat λειτουργεί στο σύστημα Google Earth Engine. Η χρονική ανάλυση είναι 16 ημέρες με χωρική ανάλυση 30 m. Χρησιμοποιώντας την εξίσωση Penman-Monteith, το EEFlux περιλαμβάνει σύστημα αφομοίωσης δεδομένων γης της Βόρειας Αμερικής για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr). Τα έτη 1998, 2017, 2014–2015 και 2016–2017 επιλέχθηκαν με βάση τις χαμηλές και υψηλές ροές που προέκυψαν από τα δεδομένα ροής χρησιμοποιώντας την ανάλυση συχνότητας. 

''' 2.3.5. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Το EEFlux παρέχει βαθμονομημένες εικόνες που αποδίδουν μια τιμή εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr) σε κάθε εικονοστοιχείο και η τιμή της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) ανά ημέρα υπολογίστηκε πολλαπλασιάζοντας την ETr και την πιθανή εξατμισοδιαπνοή ETo. Εικόνες Landsat εξήγαγαν την ETr από τις καλλιέργειες σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού. Οι ημερομηνίες αναφοράς του παράγοντα εξατμισοδιαπνοής (ETrf) επιλέχθηκαν από τα Πρότυπα του Τμήματος Άρδευσης της Σινδ και από τη χρονική περίοδο των σταδίων ανάπτυξης της καλλιέργειας από την αρχική έως την ωριμότητα. Ωστόσο, κάθε καλλιέργεια έχει διαφορετικές χρονικές περιόδους ανάπτυξης. Η ETa θεωρείται ως κατάλοιπο του ενεργειακού ισοζυγίου της επιφάνειας. Δίνεται στην Εξίσωση (2).

<center> ''' LE = Rn − H − G, (2) ''' </center>

όπου, LE είναι η λανθάνουσα ροή θερμότητας, Rn είναι καθαρή ακτινοβολία, G είναι ροή θερμότητας του εδάφους και H είναι αισθητή ροή θερμότητας. Ο ETrF (συντελεστής εξατμισοδιαπνοής αναφοράς) υπολογίστηκε με την Εξίσωση (3) και η σωρευτική ETa για κάθε εποχή υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας την Εξίσωση (4) για διαφορετικές φάσεις ανάπτυξης της καλλιέργειας, συμπεριλαμβανομένων των σταδίων αρχικής, ανάπτυξης, ανθοφορίας και ωριμότητας. 

<center> ''' ETrF = ETa/ETr(Re f erence ET) , (3) ''' </center>

<center> ''' ETseason = ETrFseasonΣ n q ETr−24, (4) ''' </center>

όπου, το ETrf αντιπροσωπεύει το ET αναφοράς για μια συγκεκριμένη περίοδο σταδίου ανάπτυξης, το ETr−24 είναι ένα ημερήσιο ET αναφοράς για συγκεκριμένο αριθμό ημερών, το n υποδηλώνει αριθμό ημερών και ελήφθησαν οι τιμές ETr της απαιτούμενης περιοχής εντολής καναλιού. 

''' 2.4. Ημερολόγια καλλιεργειών '''

Το ημερολόγιο καλλιεργειών διαφέρει για διαφορετικές περιοχές αλλά και από καλλιέργεια σε καλλιέργεια, όπως το σιτάρι που καλλιεργείται στο Rabi και το βαμβάκι που καλλιεργείται στο Kharif. Για τον υπολογισμό της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) χρησιμοποιήθηκαν ημερολόγια καλλιέργειας για τις μεσαίες και κατώτερες περιοχές της Σινδ. Οι ημερομηνίες για το μεσαίο και το κάτω μέρος της Σινδ είναι διαφορετικές για τη σπορά και τη συγκομιδή, δηλαδή, το αρχικό στάδιο σποράς στην κάτω Σινδ ξεκινά ένα μήνα νωρίτερα απ'οτι στη μεσαία. Η καλλιέργεια σιταριού της εποχής Rabi ξεκινά τον Οκτώβριο και τον Νοέμβριο, αντίστοιχα, στα κάτω και στα ανώτερα τμήματα της επαρχίας. Αντίθετα, οι καλλιέργειες βαμβακιού και ρυζιού καλλιεργούνται την περίοδο Kharif από τον Απρίλιο. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΕΙΣ '''

''' 3.1. Ροές ποταμών '''

Αξιολογήθηκαν οι ετήσιες εποχιακές ροές. Ωστόσο, η εξίσωση (4α) δείχνει το μέσο διάστημα δύο εκφορτίσεων ίσου (ή μεγαλύτερου) μεγέθους σε χρόνια μεταξύ των εμφανίσεων που είναι γνωστό ως Διάστημα Υποτροπής (RI). 

<center> ''' RI = (Ν + 1)/Μ , (4α) ''' </center>

όπου, RI = Διάστημα υποτροπής, N = Μέγιστη Ετήσια Απόρριψη, Μ = Κατάταξη (για τη μεγαλύτερη κατάταξη ροής M = 1 και τη μικρότερη κατάταξη ροής M = n ή 21 σε αυτήν τη μελέτη). Η εξίσωση (4β) μπορεί να ορίσει μια πιθανότητα ενός δεδομένου μεγέθους μιας πλημμύρας κάθε χρόνο.

<center> ''' P = (1/RI)× 100 , (4β) ''' </center>

σύμφωνα με τις ροές της σεζόν Rabi από το 1998–1999 έως το 2018–2019 του φράγματος Sukkur, οι τάξεις κατανεμήθηκαν και ταξινομήθηκαν σε υψηλή, μεσαία και χαμηλή. Η πιθανότητα υπέρβασης (P) έχει υπολογιστεί για την εποχή Rabi κατά την οποία καλλιεργούνται οι καλλιέργειες σιταριού. Υπήρξε υψηλή ροή το 2014–2015 και η μέση ροή καταγράφηκε το 2003–2004. Τα έτη 2016-2017 θεωρήθηκε μέσης ροής, ενώ το 2001-2002 θεωρήθηκε έτος χαμηλής ροής. Οι ροές της εποχής Kharif από το 1998 έως το 2017 του φράγματος Sukkur κατηγοριοποιήθηκαν και αυτές ως υψηλές, μεσαίες και χαμηλές. Το 2010 λόγω της πλημμύρας του ποταμού, προκαλεί ζημιές στη Σινδ, ενώ το 1998 επιλέχθηκε ως το έτος υψηλής ροής (επόμενο υψηλότερο μετά το 2010). Το έτος μέσης ροής ήταν το 2017 και το έτος χαμηλής ροής ήταν το 2004. Σε αυτή τη μελέτη αναλύθηκαν καλλιέργειες ρυζιού και βαμβακιού που καλλιεργήθηκαν την περίοδο Kharif. 

''' 3.2. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Υπολογίστηκε η πραγματική μηνιαία εξατμισοδιαπνοή, η οποία υπολογίζει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας (CWP). Μπορεί να παρατηρηθεί ότι το αρχικό στάδιο έχει τη χαμηλότερη ETa, ενώ το στάδιο της ανθοφορίας έχει την υψηλότερη εξατμισοδιαπνοή αφού σε αυτό το στάδιο απαιτείται περισσότερο νερό για την ανάπτυξη των φυτών.

''' 3.2.1. Καλλιέργεια Σιταριού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή έχει υπολογιστεί χρησιμοποιώντας μάσκες καλλιέργειας για τα τέσσερα στάδια: αρχικό, ανάπτυξη της καλλιέργειας, ανθοφορία και ωριμότητα. Η εικόνα 4α απεικονίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της εποχής Rabi της καλλιέργειας σίτου, που υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας το ETrf και το ETr. Το ETa είναι χαμηλό στο αρχικό στάδιο, καθώς είναι το στάδιο της σποράς, ενώ το ETa ήταν υψηλότερο στο στάδιο της ανθοφορίας (2014–2015). Η εικόνα 4β δείχνει την τιμή ETa για την περίοδο 2016–2017, χαμηλότερη από την τιμή για την περίοδο 2014–2015.

''' 3.2.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) ήταν περισσότερο για την καλλιέργεια βαμβακιού παρά για το σιτάρι. Η Εικόνα 5a παρουσιάζει την ETa για την καλλιέργεια βαμβακιού της περιόδου Kharif του 1998 όταν η ροή ήταν υψηλή και η Εικόνα 5β δείχνει την υψηλότερη τιμή ETa για το 2017, υψηλότερη από το 1998. Το 2017 οι ροές ήταν κανονικές/μέτριες. Αυτό δείχνει ότι οι υψηλότερες ροές δεν συνδέονται απαραίτητα με υψηλότερες τιμές ETa. 

''' 3.2.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η εικόνα 6α απεικονίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας ρυζιού το 1998, την υψηλότερη μεταξύ άλλων καλλιεργειών όπως το σιτάρι και το βαμβάκι, καθώς το ρύζι καταναλώνει περισσότερο νερό. Ωστόσο, το ρύζι δεν είναι η κύρια καλλιέργεια της Σίντ. Η εικόνα 6β παρουσιάζει το ETa του Hyderabad, του Badin και του Matiyari για το 2017. Η καλλιέργεια ρυζιού καλλιεργείται στις συνοικίες της Σίντ, ωστόσο, απαγορεύεται στην Κάτω Σίντ λόγω λειψυδρίας. 

''' 3.3. Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών Κύριων Καλλιεργειών '''

''' 3.3.1. Καλλιέργεια Σιταριού (2014-2015 και 2016-2017) '''

Η μέση παγκόσμια CWP σιταριού είναι 0,86 kg/m3 έως 1,80 kg/m3. Υπάρχουν τρεις παγκόσμιες κατηγορίες για CWP σίτου: χαμηλή (<= 0,75 kg/m3), μεσαία (> 0,75 kg/m3 έως < 1,10 kg/m3) και υψηλή (>= 1,10 kg/m3). Για το Πακιστάν, η μέση CWP είναι 0,80 kg/m3 έως 0,91 kg/m3, η οποία εμπίπτει στη μεσαία κατηγορία. Υπήρξε υψηλότερη ροή το 2014-2015, ενώ το 2016-2017 ήταν μέτρια. Η μέση CWP για την καλλιέργεια σίτου ήταν 1,03 kg/m3 σε 2014–2015 και 1,02 kg/m3 το 2016-2017. Συνολικά, η CWP της καλλιέργειας σιταριού είναι κάτω από το αναφερόμενο εύρος, δηλαδή μεταξύ 0,32 kg/m3 έως 1,08 kg/m3. Λόγω της υπερχείλισης, της αλατότητας, των συνθηκών του εδάφους και της έλλειψης διαθεσιμότητας υπόγειων υδάτων, το CWP της Σινδ είναι μικρότερη από το Παντζάμπ. Η απόδοση σιταριού της Σινδ είναι 33% μικρότερη από την απόδοση σιταριού του Παντζάμπ.

''' 3.3.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η Εικόνα 8 αντιπροσωπεύει το CWP του βαμβακιού για την εποχή Kharif (1998 και 2017). Για τα έτη αυτά, οι τιμές CWP της καλλιέργειας βαμβακιού ήταν σταθερές. Οι μέσες CWP της περιοχής μελέτης των καλλιεργειών βαμβακιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,12 kg/m3 και 0,16 kg/m3,αντίστοιχα. Οι μέσες τιμές CWP για το βαμβάκι ήταν 0,22 kg/m3 και 0,26 kg/m3. Η χαμηλότερη CWP του Badin οφείλεται στην κακή ποιότητα της εικόνας, έτσι, έγινε δύσκολος ο υπολογισμός της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής και εφαρμόστηκαν διορθώσεις στο σύννεφο όπου η κάλυψη του νέφους ήταν περίπου 50%. 

''' 3.3.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η Εικόνα 9 δείχνει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας του ρυζιού που καλλιεργείται στην περιοχή μελέτης. Οι περισσότερες από τις καλλιέργειες που επιλέχθηκαν σε αυτή τη μελέτη είναι κύριες καλλιέργειες, εκτός από το ρύζι. Το ρύζι είναι μια από τις άλλες καλλιέργειες που η κυβέρνηση της Σινδ απαγόρευσε λόγω της έλλειψης νερού,ωστόσο, το ρύζι καλλιεργήθηκε το 1998 σε όλη τη Σινδ. Συνολικά, οι μέσες τιμές CWP ρυζιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,32 kg/m3 και 0,54 kg/m3, αντίστοιχα. Δεδομένου ότι το ρύζι δεν απαγορεύτηκε το 1998 στην περιοχή μελέτης, το νερό για άλλες καλλιέργειες χρησιμοποιήθηκε για το ρύζι. Οι άλλες καλλιέργειες πήραν αρκετό νερό μετά τη διακοπή της καλλιέργειας ρυζιού.

''' 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Αυτή η μελέτη υπολόγισε την παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών (CWP) του σιταριού, του βαμβακιού και του ρυζιού του Καναλιού Rohri, χρησιμοποιώντας δεδομένα τηλεπισκόπησης στο περιβάλλον GIS. Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή υπολογίστηκε για τις εννέα περιοχές για δύο εποχές Rabi (2014 -2015 και 2016–2017) και δύο εποχές Kharif (1998 και 2017). Τα έτη επιλέχθηκαν με βάση τις υψηλές και μέτριες ροές που περνούσαν από το φράγμα Sukkur. Το ETa ήταν υψηλότερο στην καλλιέργεια ρυζιού, ενώ ήταν μικρότερο από την καλλιέργεια βαμβακιού για την καλλιέργεια σιταριού, καθώς το ETa εξαρτάται από τον τύπο της καλλιέργειας, διότι ορισμένες καλλιέργειες χρειάζονται περισσότερο νερό από άλλες. Τα αποτελέσματα της μελέτης συνόψισαν ότι η εκτίμηση του πραγματικού ET είναι ζωτικής σημασίας για τη διαχείριση του νερού άρδευσης και των συνθηκών καταπόνησης των καλλιεργειών. Αυτή η χρήση του μοντέλου EEFlux για τη λήψη εικόνων ETrf είναι εφικτή για την επεξεργασία τους με ελάχιστη προσπάθεια. Η μέση CWP της καλλιέργειας σιταριού για την περίοδο 2014–2015 και 2016–2017 ήταν, αντίστοιχα, 1,03 kg/m3 και 1,02 kg/m3, ενώ η CWP αυξήθηκε το έτος 2014–2015 σε σύγκριση με το 2016–2017. Υπάρχει περιορισμός δεδομένων σε τρεις περιφέρειες (Matiyari, Tando Allahyar και Tando Muhammad Khan) σχετικά με την περιοχή καλλιέργειας και την παραγωγή βαμβακιού και ρυζιού το 1998, επομένως, υπολογίστηκε η μέσα CWP βαμβακιού και ρυζιού μόνο για έξι περιοχές. Το 1998, συνολικά, η CWP αυξήθηκε και για τις δύο καλλιέργειες, ωστόσο, το ρύζι έχει απαγορευτεί από την κυβέρνηση της Σίντ στην επαρχία Σιντ λόγω της έλλειψης νερού. Το ρύζι παίρνει περισσότερο νερό από άλλες καλλιέργειες και το εξοικονομημένο νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οικιακούς και βιομηχανικούς σκοπούς. Η CWP επηρεάζεται από γεωργικές πρακτικές που περιλαμβάνουν προετοιμασία γης, μεθόδους σποράς, ποιότητα σπόρων και εδάφους, εφαρμογή νερού και λιπασμάτων και έλεγχο ζιζανίων και παρασίτων. Η προτεινόμενη προσέγγιση είναι αρκετά εφικτή και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διαφορετικές περιοχές με διάφορες καλλιέργειες, ενώ προωθούνται τεχνικές τηλεπισκόπησης για την αποτελεσματική διαχείριση της φυτικής παραγωγής. 

[[category:Υδατικοί Πόροι]]
[[category:Γεωργία]]

Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών χρησιμοποιώντας GIS και τεχνικές τηλεπισκόπησης

2024-02-16T11:18:28Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Estimation of Crop Water Productivity Using GIS and Remote Sensing Techniques''

'''Συγγραφείς: ''' Zenobia Talpur, Arjumand Z. Zaidi, Suhail Ahmed, Tarekegn Dejen Mengistu, Si-Jung Choi, Il-Moon Chung

'''Δημοσιεύθηκε: '''''Sustainability 2023, 15, 11154. https://doi.org/10.3390/su151411154 ''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Γεωργία, υδατικοί πόροι, αρδευτικό σύστημα

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών στην περιοχή της Σινδ '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_G_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Θέση της περιοχής μελέτης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Τύποι και πηγές δεδομένων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' (a) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Rabi, (b) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Kharif , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2014–2015), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2016–2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (2017), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας σιταριού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας βαμβακιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας ρυζιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

Ο αγροτικός τομέας καταναλώνει το 90% του παγκόσμιου νερού, από το οποίο το 40% των καλλιεργειών παράγεται μέσω του συστήματος άρδευσης. Η μη βιώσιμη γεωργία δεν μπορεί να επιτύχει τις διατροφικές απαιτήσεις για τον αυξανόμενο πληθυσμό και ο αγροτικός τομέας αντιμετωπίζει προκλήσεις χαμηλής παραγωγικότητας νερού των καλλιεργειών, έτσι η χρήση του νερού πρέπει να βελτιστοποιηθεί για να παράγει περισσότερα τρόφιμα. Ο αγροτικός τομέας του Πακιστάν συνεισφέρει το 24% της Ακαθάριστης Εγχώριας Παραγωγής και απασχολεί το 45% του συνολικού εργατικού δυναμικού του. Το Πακιστάν έχει δύο κύριες περιόδους καλλιέργειας - Rabi and Kharif. Η καλλιέργεια Kharif εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ποσότητα και την κατανομή των βροχοπτώσεων, ειδικά κατά την περίοδο των μουσώνων. Το σύστημα καναλιών του ποταμού Ινδού υποστηρίζει κυρίως τη γεωργία. Το φράγμα Sukkur είναι το παλαιότερο από αυτά. Πριν από το φράγμα Sukkur, χτίστηκε το κανάλι Rohri μήκους 350 χιλιομέτρων, ένα από τα παλαιότερα κανάλια, το οποίο ποτίζει αγροκτήματα στην αριστερή όχθη του ποταμού Ινδού κάτω από το φράγμα Sukkur και περίπου 2,9 εκατομμύρια στρέμματα γεωργικής γης αντλούν νερό από αυτό σε εννέα περιοχές. Επίσης, ποτίζει εδάφη μέχρι την παράκτια περιοχή της Σινδ για οπωρώνες και περιοχές όπου καλλιεργούνται καλλιέργειες όπως το ζαχαροκάλαμο, το βαμβάκι και το σιτάρι. Η φθίνουσα διαθεσιμότητα νερού στο Πακιστάν είναι ανησυχητική, λόγω της ταχείας αστικοποίησης και εκβιομηχάνισης τα τελευταία πενήντα χρόνια. Εκτός από τον ποταμό Ινδό, άλλοι υδατικοί πόροι στο Πακιστάν είναι τα υπόγεια ύδατα και η βροχόπτωση. Ωστόσο, τα υπόγεια ύδατα εξαντλούνται με τεράστιο ρυθμό λόγω της εκτεταμένης υπερεκμετάλλευσης. Η ανάγκη για άρδευση έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία 20 χρόνια λόγω της επέκτασης της περιοχής καλλιέργειας. Η παροχή νερού ήταν μικρότερη από το 26% των απαιτήσεων σε νερό των καλλιεργειών το καλοκαίρι του 2012, ενώ το χειμώνα, ήταν περίπου 20% πλεόνασμα. Ο ποταμός Ινδός έχει παραγωγικότητα 54%, ενώ η παραγωγικότητα του αρδευτικού συστήματος της Σινδ είναι μόλις 35%. Το κύριο πρόβλημα διαχείρισης του νερού είναι η έλλειψη νερού στις αρχές της περιόδου που ακολουθείται από υπερβολικό νερό με την έναρξη των μουσώνων. Οι αρχές της αποδοτικότητας του νερού βοηθούν στην αξιολόγηση της τρέχουσας παραγωγής και στη διερεύνηση στρατηγικών για την εξοικονόμηση πραγματικού νερού από τα χωράφια στις λεκάνες απορροής. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι η ιδέα να αξιοποιήσετε στο έπακρο τις καλλιέργειες, τα ζώα και άλλα πράγματα, ενώ χρησιμοποιείτε τη λιγότερη δυνατή ποσότητα νερού. Τα δεδομένα σχετικά με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται από τις καλλιέργειες πρέπει να λαμβάνονται ως προαπαιτούμενο πριν από τη χρήση αυτής της στρατηγικής. Η χρήση τιμών εξατμισοδιαπνοής (ET) για την επίλυση απλών εξισώσεων για τον προσδιορισμό της ποσότητας του νερού που καταναλώνεται μπορεί, επομένως, να είναι μια λύση σε αυτό το χρονικά περιορισμένο πρόβλημα. Οι πραγματικές μετρήσεις εξατμισοδιαπνοής (ETa) λαμβάνονται από δορυφορικές φωτογραφίες για επεξεργασία. Αυτή η μελέτη αναλύει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) και τη παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών σιταριού, ρυζιού και βαμβακιού σε εννέα περιοχές της Σινδ εντός της περιοχής διοίκησης του Καναλιού Rohri και θα βοηθήσει στον εντοπισμό περιοχών υψηλών γεωργικών επιδόσεων και θα παρέχει πληροφορίες για τη διαχείριση του συστήματος άρδευσης, οδηγώντας σε βιώσιμη παραγωγικότητα του νερού. Η τηλεπισκόπηση παρέχει μεγάλης κλίμακας δεδομένα εξατμισοδιαπνοής. Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε μια ισχυρή πύλη δεδομένων που βασίζεται στην τηλεπισκόπηση — ροή εξατμισοδιαπνοής του Google Earth Engine (EEFlux) που βασίζεται στη «Χαρτογράφηση εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερική βαθμονόμηση (METRIC)». Αυτός ο ιστότοπος δεδομένων έχει μεγάλες δυνατότητες εκτίμησης του ETa. Το METRIC είναι μια τροποποιημένη έκδοση του «Αλγόριθμου Επιφανειακής Εξισορρόπησης Ενέργειας για Γη (SEBAL), που χρησιμοποιείται στις μέρες μας για τη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής. Το METRIC απαιτεί χειροκίνητες επιλογές εικονοστοιχείων, επομένως έχουν αναπτυχθεί μοντέλα αυτόματης βαθμονόμησης λόγω αβεβαιότητας που μπορεί να προκύψει κατά τη βαθμονόμησή του με διαφορετικούς χρήστες. Τα αυτόματα μοντέλα απαιτούν επίσης τεράστια προεπεξεργασία, όπως η συναρμολόγηση διαφόρων στρωμάτων, το τοπικό κλίμα, τα δορυφορικά δεδομένα, οι χρήσεις γης/κάλυψη, οι χάρτες εδάφους και η εισαγωγή δεδομένων. Το EEFlux όχι μόνο παρέχει έναν αυτόματο μηχανισμό εισαγωγής δεδομένων, αλλά συνδέεται επίσης με το Google Earth Engine (GEE) με τον αλγόριθμο METRIC και παρέχει χάρτες για το Landsat 5, 7, ή 8. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν εικόνες Landsat 5 και 8. 

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Περιγραφή της Περιοχής Μελέτης '''

Το κανάλι Rohri είναι ένα κύριο συστατικό του γεωργικού τομέα στη Σινδ και είναι ένα τεχνητό κανάλι χτισμένο στο φράγμα Sukkur με 2,6 εκατομμύρια στρέμματα για άρδευση. Η περιοχή διοίκησης του καναλιού Rohri καλύπτει και παρέχει νερό σε μεγάλα τμήματα των εννέα περιοχών της Σινδ και βρίσκεται σε θερμό κλίμα με ετήσια βροχόπτωση που δεν υπερβαίνει τα 200 mm και ελάχιστη θερμοκρασία 18 ◦C. Οι κύριες καλλιέργειες που παράγονται σε αυτές τις περιοχές είναι το βαμβάκι και το σιτάρι. Το ρύζι καλλιεργείται επίσης σε αυτήν την περιοχή, αλλά δεν συγκαταλέγεται στις κύριες καλλιέργειες. 

''' 2.2. Μεθοδολογία '''

Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών ορίζεται ως η αναλογία της απόδοσης της καλλιέργειας διαιρούμενη με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται για την παραγωγή της και υπολογίστηκε για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι για τη περίοδο Kharif (1998 και 2017) και Rabi (2014–2015 και 2016–2017). Μετρήθηκε σε kg/m3 και οι χρήσεις του νερού των καλλιεργειών, ή ETa, υπολογίζονται από δεδομένα τηλεπισκόπησης. Χρησιμοποιώντας δορυφορικά δεδομένα, η χρήση του νερού των καλλιεργειών μπορεί να μετρηθεί σε μεγαλύτερες χρονικές και χωρικές κλίμακες. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως η άρδευση, η γονιμότητα του εδάφους, ο έλεγχος παρασίτων και ασθενειών και συχνά αυξάνεται από οποιονδήποτε διαχειριστικό παράγοντα που βελτιώνει την παραγωγή των καλλιεργειών, καθώς η εξατμισοδιαπνοή είναι συνήθως λιγότερο αντιδραστική στις αλλαγές αυτών των παραγόντων από την απόδοση. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι απαραίτητη για την κατανόηση της σχέσης μεταξύ νερού και τροφής και οι τιμές της για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι εκτιμήθηκαν χρησιμοποιώντας την εξίσωση (1): 

<center> ''' CWP = y (Yield) /ETa , (1) ''' </center>

όπου, η CWP είναι η Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών (kg/m3 ), το y αντιπροσωπεύει την απόδοση (kg/m2 ), το ETa είναι η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (m3/ha1). Για αυτήν τη μελέτη, η αρδευόμενη περιοχή και οι αποδόσεις σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού ελήφθησαν από το τμήμα υπηρεσιών αναφοράς καλλιεργειών στο Χαϊντεραμπάντ. 

''' 2.3. Σύνολα δεδομένων '''

''' 2.3.1. Δεδομένα καλλιεργειών '''

Τα δεδομένα για τις καλλιέργειες ελήφθησαν από τη στατιστική έκθεση της Σινδ και το τμήμα γεωργίας.

''' 2.3.2. Crop Masks '''

Crop Masks μπορεί να οριστεί ως η χωρική πληροφορία της κατανομής των διαφόρων καλλιεργειών. Crop Masks για το σιτάρι (2013–2014), το βαμβάκι και το ρύζι (2014–2015) αναπτύχθηκαν από τον Οργανισμό Τροφίμων και Γεωργίας και το Υπουργείο Γεωργίας των Ηνωμένων Πολιτειών ως μέρος του έργου «Γεωργικό Πληροφοριακό Σύστημα - Δημιουργία επαρχιακής ικανότητας στο Πακιστάν για την εκτίμηση, την πρόβλεψη και την αναφορά των καλλιεργειών με βάση την ολοκληρωμένη χρήση των δεδομένων τηλεπισκόπησης». Οι δορυφορικές εικόνες SPOT-5 έχουν χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή αυτών των Crop Masks. 

''' 2.3.3. Εξατμισοδιαπνοή Αναφοράς'''

Για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr), υποθέσαμε ότι η γη ήταν καλυμμένη με γρασίδι και υπολογίσαμε την εξατμισοδιαπνοή από αυτό το γρασίδι. Για τη λεκάνη του Ινδού, σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιούνται τιμές εξατμισοδιαπνοής αναφοράς χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Penman–Monteith.

''' 2.3.4. Δεδομένα Τηλεπισκόπησης '''

Οι εικόνες Landsat λαμβάνονται από την πύλη Earth Engine Evapotranspiration Flux (EEFlux), η οποία παρέχει επεξεργασμένες εικόνες Landsat 5 και 8. Βασίζεται στη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερικοποιημένη βαθμονόμηση και η διαδικασία που βασίζεται στην εικόνα Landsat λειτουργεί στο σύστημα Google Earth Engine. Η χρονική ανάλυση είναι 16 ημέρες με χωρική ανάλυση 30 m. Χρησιμοποιώντας την εξίσωση Penman-Monteith, το EEFlux περιλαμβάνει σύστημα αφομοίωσης δεδομένων γης της Βόρειας Αμερικής για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr). Τα έτη 1998, 2017, 2014–2015 και 2016–2017 επιλέχθηκαν με βάση τις χαμηλές και υψηλές ροές που προέκυψαν από τα δεδομένα ροής χρησιμοποιώντας την ανάλυση συχνότητας. 

''' 2.3.5. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Το EEFlux παρέχει βαθμονομημένες εικόνες που αποδίδουν μια τιμή εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr) σε κάθε εικονοστοιχείο και η τιμή της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) ανά ημέρα υπολογίστηκε πολλαπλασιάζοντας την ETr και την πιθανή εξατμισοδιαπνοή ETo. Εικόνες Landsat εξήγαγαν την ETr από τις καλλιέργειες σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού. Οι ημερομηνίες αναφοράς του παράγοντα εξατμισοδιαπνοής (ETrf) επιλέχθηκαν από τα Πρότυπα του Τμήματος Άρδευσης της Σινδ και από τη χρονική περίοδο των σταδίων ανάπτυξης της καλλιέργειας από την αρχική έως την ωριμότητα. Ωστόσο, κάθε καλλιέργεια έχει διαφορετικές χρονικές περιόδους ανάπτυξης. Η ETa θεωρείται ως κατάλοιπο του ενεργειακού ισοζυγίου της επιφάνειας. Δίνεται στην Εξίσωση (2).

<center> ''' LE = Rn − H − G, (2) ''' </center>

όπου, LE είναι η λανθάνουσα ροή θερμότητας, Rn είναι καθαρή ακτινοβολία, G είναι ροή θερμότητας του εδάφους και H είναι αισθητή ροή θερμότητας. Ο ETrF (συντελεστής εξατμισοδιαπνοής αναφοράς) υπολογίστηκε με την Εξίσωση (3) και η σωρευτική ETa για κάθε εποχή υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας την Εξίσωση (4) για διαφορετικές φάσεις ανάπτυξης της καλλιέργειας, συμπεριλαμβανομένων των σταδίων αρχικής, ανάπτυξης, ανθοφορίας και ωριμότητας. 

<center> ''' ETrF = ETa/ETr(Re f erence ET) , (3) ''' </center>

<center> ''' ETseason = ETrFseasonΣ n q ETr−24, (4) ''' </center>

όπου, το ETrf αντιπροσωπεύει το ET αναφοράς για μια συγκεκριμένη περίοδο σταδίου ανάπτυξης, το ETr−24 είναι ένα ημερήσιο ET αναφοράς για συγκεκριμένο αριθμό ημερών, το n υποδηλώνει αριθμό ημερών και ελήφθησαν οι τιμές ETr της απαιτούμενης περιοχής εντολής καναλιού. 

''' 2.4. Ημερολόγια καλλιεργειών '''

Το ημερολόγιο καλλιεργειών διαφέρει για διαφορετικές περιοχές αλλά και από καλλιέργεια σε καλλιέργεια, όπως το σιτάρι που καλλιεργείται στο Rabi και το βαμβάκι που καλλιεργείται στο Kharif. Για τον υπολογισμό της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) χρησιμοποιήθηκαν ημερολόγια καλλιέργειας για τις μεσαίες και κατώτερες περιοχές της Σινδ. Οι ημερομηνίες για το μεσαίο και το κάτω μέρος της Σινδ είναι διαφορετικές για τη σπορά και τη συγκομιδή, δηλαδή, το αρχικό στάδιο σποράς στην κάτω Σινδ ξεκινά ένα μήνα νωρίτερα απ'οτι στη μεσαία. Η καλλιέργεια σιταριού της εποχής Rabi ξεκινά τον Οκτώβριο και τον Νοέμβριο, αντίστοιχα, στα κάτω και στα ανώτερα τμήματα της επαρχίας. Αντίθετα, οι καλλιέργειες βαμβακιού και ρυζιού καλλιεργούνται την περίοδο Kharif από τον Απρίλιο. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΕΙΣ '''

''' 3.1. Ροές ποταμών '''

Αξιολογήθηκαν οι ετήσιες εποχιακές ροές. Ωστόσο, η εξίσωση (4α) δείχνει το μέσο διάστημα δύο εκφορτίσεων ίσου (ή μεγαλύτερου) μεγέθους σε χρόνια μεταξύ των εμφανίσεων που είναι γνωστό ως Διάστημα Υποτροπής (RI). 

<center> ''' RI = (Ν + 1)/Μ , (4α) ''' </center>

όπου, RI = Διάστημα υποτροπής, N = Μέγιστη Ετήσια Απόρριψη, Μ = Κατάταξη (για τη μεγαλύτερη κατάταξη ροής M = 1 και τη μικρότερη κατάταξη ροής M = n ή 21 σε αυτήν τη μελέτη). Η εξίσωση (4β) μπορεί να ορίσει μια πιθανότητα ενός δεδομένου μεγέθους μιας πλημμύρας κάθε χρόνο.

<center> ''' P = (1/RI)× 100 , (4β) ''' </center>

σύμφωνα με τις ροές της σεζόν Rabi από το 1998–1999 έως το 2018–2019 του φράγματος Sukkur, οι τάξεις κατανεμήθηκαν και ταξινομήθηκαν σε υψηλή, μεσαία και χαμηλή. Η πιθανότητα υπέρβασης (P) έχει υπολογιστεί για την εποχή Rabi κατά την οποία καλλιεργούνται οι καλλιέργειες σιταριού. Υπήρξε υψηλή ροή το 2014–2015 και η μέση ροή καταγράφηκε το 2003–2004. Τα έτη 2016-2017 θεωρήθηκε μέσης ροής, ενώ το 2001-2002 θεωρήθηκε έτος χαμηλής ροής. Οι ροές της εποχής Kharif από το 1998 έως το 2017 του φράγματος Sukkur κατηγοριοποιήθηκαν και αυτές ως υψηλές, μεσαίες και χαμηλές. Το 2010 λόγω της πλημμύρας του ποταμού, προκαλεί ζημιές στη Σινδ, ενώ το 1998 επιλέχθηκε ως το έτος υψηλής ροής (επόμενο υψηλότερο μετά το 2010). Το έτος μέσης ροής ήταν το 2017 και το έτος χαμηλής ροής ήταν το 2004. Σε αυτή τη μελέτη αναλύθηκαν καλλιέργειες ρυζιού και βαμβακιού που καλλιεργήθηκαν την περίοδο Kharif. 

''' 3.2. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Υπολογίστηκε η πραγματική μηνιαία εξατμισοδιαπνοή, η οποία υπολογίζει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας (CWP). Μπορεί να παρατηρηθεί ότι το αρχικό στάδιο έχει το χαμηλότερο ETa, ενώ το στάδιο της ανθοφορίας έχει την υψηλότερη εξατμισοδιαπνοή αφού σε αυτό το στάδιο απαιτείται περισσότερο νερό για την ανάπτυξη των φυτών.

''' 3.2.1. Καλλιέργεια Σιταριού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή έχει υπολογιστεί χρησιμοποιώντας μάσκες καλλιέργειας για τα τέσσερα στάδια: αρχικό, ανάπτυξη της καλλιέργειας, ανθοφορία και ωριμότητα. Η εικόνα 4α απεικονίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της εποχής Rabi της καλλιέργειας σίτου, που υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας το ETrf και το ETr. Το ETa είναι χαμηλό στο αρχικό στάδιο, καθώς είναι το στάδιο της σποράς, ενώ το ETa ήταν υψηλότερο στο στάδιο της ανθοφορίας (2014–2015). Η εικόνα 4β δείχνει την τιμή ETa για την περίοδο 2016–2017, χαμηλότερη από την τιμή για την περίοδο 2014–2015.

''' 3.2.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) ήταν περισσότερο για την καλλιέργεια βαμβακιού παρά για το σιτάρι. Η Εικόνα 5a παρουσιάζει την ETa για την καλλιέργεια βαμβακιού της περιόδου Kharif του 1998 όταν η ροή ήταν υψηλή και η Εικόνα 5β δείχνει την υψηλότερη τιμή ETa για το 2017, υψηλότερη από το 1998. Το 2017 οι ροές ήταν κανονικές/μέτριες. Αυτό δείχνει ότι οι υψηλότερες ροές δεν συνδέονται απαραίτητα με υψηλότερες τιμές ETa. 

''' 3.2.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η εικόνα 6α απεικονίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας ρυζιού το 1998, την υψηλότερη μεταξύ άλλων καλλιεργειών όπως το σιτάρι και το βαμβάκι, καθώς το ρύζι καταναλώνει περισσότερο νερό. Ωστόσο, το ρύζι δεν είναι η κύρια καλλιέργεια της Σίντ. Η εικόνα 6β παρουσιάζει το ETa του Hyderabad, του Badin και του Matiyari για το 2017. Η καλλιέργεια ρυζιού καλλιεργείται στις συνοικίες της Σίντ, ωστόσο, απαγορεύεται στην Κάτω Σίντ λόγω λειψυδρίας. 

''' 3.3. Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών Κύριων Καλλιεργειών '''

''' 3.3.1. Καλλιέργεια Σιταριού (2014-2015 και 2016-2017) '''

Η μέση παγκόσμια CWP σιταριού είναι 0,86 kg/m3 έως 1,80 kg/m3. Υπάρχουν τρεις παγκόσμιες κατηγορίες για CWP σίτου: χαμηλή (<= 0,75 kg/m3), μεσαία (> 0,75 kg/m3 έως < 1,10 kg/m3) και υψηλή (>= 1,10 kg/m3). Για το Πακιστάν, η μέση CWP είναι 0,80 kg/m3 έως 0,91 kg/m3, η οποία εμπίπτει στη μεσαία κατηγορία. Υπήρξε υψηλότερη ροή το 2014-2015, ενώ το 2016-2017 ήταν μέτρια. Η μέση CWP για την καλλιέργεια σίτου ήταν 1,03 kg/m3 σε 2014–2015 και 1,02 kg/m3 το 2016-2017. Συνολικά, η CWP της καλλιέργειας σιταριού είναι κάτω από το αναφερόμενο εύρος, δηλαδή μεταξύ 0,32 kg/m3 έως 1,08 kg/m3. Λόγω της υπερχείλισης, της αλατότητας, των συνθηκών του εδάφους και της έλλειψης διαθεσιμότητας υπόγειων υδάτων, το CWP της Σινδ είναι μικρότερη από το Παντζάμπ. Η απόδοση σιταριού της Σινδ είναι 33% μικρότερη από την απόδοση σιταριού του Παντζάμπ.

''' 3.3.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η Εικόνα 8 αντιπροσωπεύει το CWP του βαμβακιού για την εποχή Kharif (1998 και 2017). Για τα έτη αυτά, οι τιμές CWP της καλλιέργειας βαμβακιού ήταν σταθερές. Οι μέσες CWP της περιοχής μελέτης των καλλιεργειών βαμβακιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,12 kg/m3 και 0,16 kg/m3,αντίστοιχα. Οι μέσες τιμές CWP για το βαμβάκι ήταν 0,22 kg/m3 και 0,26 kg/m3. Η χαμηλότερη CWP του Badin οφείλεται στην κακή ποιότητα της εικόνας, έτσι, έγινε δύσκολος ο υπολογισμός της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής και εφαρμόστηκαν διορθώσεις στο σύννεφο όπου η κάλυψη του νέφους ήταν περίπου 50%. 

''' 3.3.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η Εικόνα 9 δείχνει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας του ρυζιού που καλλιεργείται στην περιοχή μελέτης. Οι περισσότερες από τις καλλιέργειες που επιλέχθηκαν σε αυτή τη μελέτη είναι κύριες καλλιέργειες, εκτός από το ρύζι. Το ρύζι είναι μια από τις άλλες καλλιέργειες που η κυβέρνηση της Σινδ απαγόρευσε λόγω της έλλειψης νερού,ωστόσο, το ρύζι καλλιεργήθηκε το 1998 σε όλη τη Σινδ. Συνολικά, οι μέσες τιμές CWP ρυζιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,32 kg/m3 και 0,54 kg/m3, αντίστοιχα. Δεδομένου ότι το ρύζι δεν απαγορεύτηκε το 1998 στην περιοχή μελέτης, το νερό για άλλες καλλιέργειες χρησιμοποιήθηκε για το ρύζι. Οι άλλες καλλιέργειες πήραν αρκετό νερό μετά τη διακοπή της καλλιέργειας ρυζιού.

''' 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Αυτή η μελέτη υπολόγισε την παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών (CWP) του σιταριού, του βαμβακιού και του ρυζιού του Καναλιού Rohri, χρησιμοποιώντας δεδομένα τηλεπισκόπησης στο περιβάλλον GIS. Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή υπολογίστηκε για τις εννέα περιοχές για δύο εποχές Rabi (2014 -2015 και 2016–2017) και δύο εποχές Kharif (1998 και 2017). Τα έτη επιλέχθηκαν με βάση τις υψηλές και μέτριες ροές που περνούσαν από το φράγμα Sukkur. Το ETa ήταν υψηλότερο στην καλλιέργεια ρυζιού, ενώ ήταν μικρότερο από την καλλιέργεια βαμβακιού για την καλλιέργεια σιταριού, καθώς το ETa εξαρτάται από τον τύπο της καλλιέργειας, διότι ορισμένες καλλιέργειες χρειάζονται περισσότερο νερό από άλλες. Τα αποτελέσματα της μελέτης συνόψισαν ότι η εκτίμηση του πραγματικού ET είναι ζωτικής σημασίας για τη διαχείριση του νερού άρδευσης και των συνθηκών καταπόνησης των καλλιεργειών. Αυτή η χρήση του μοντέλου EEFlux για τη λήψη εικόνων ETrf είναι εφικτή για την επεξεργασία τους με ελάχιστη προσπάθεια. Η μέση CWP της καλλιέργειας σιταριού για την περίοδο 2014–2015 και 2016–2017 ήταν, αντίστοιχα, 1,03 kg/m3 και 1,02 kg/m3, ενώ η CWP αυξήθηκε το έτος 2014–2015 σε σύγκριση με το 2016–2017. Υπάρχει περιορισμός δεδομένων σε τρεις περιφέρειες (Matiyari, Tando Allahyar και Tando Muhammad Khan) σχετικά με την περιοχή καλλιέργειας και την παραγωγή βαμβακιού και ρυζιού το 1998, επομένως, υπολογίστηκε η μέσα CWP βαμβακιού και ρυζιού μόνο για έξι περιοχές. Το 1998, συνολικά, η CWP αυξήθηκε και για τις δύο καλλιέργειες, ωστόσο, το ρύζι έχει απαγορευτεί από την κυβέρνηση της Σίντ στην επαρχία Σιντ λόγω της έλλειψης νερού. Το ρύζι παίρνει περισσότερο νερό από άλλες καλλιέργειες και το εξοικονομημένο νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οικιακούς και βιομηχανικούς σκοπούς. Η CWP επηρεάζεται από γεωργικές πρακτικές που περιλαμβάνουν προετοιμασία γης, μεθόδους σποράς, ποιότητα σπόρων και εδάφους, εφαρμογή νερού και λιπασμάτων και έλεγχο ζιζανίων και παρασίτων. Η προτεινόμενη προσέγγιση είναι αρκετά εφικτή και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διαφορετικές περιοχές με διάφορες καλλιέργειες, ενώ προωθούνται τεχνικές τηλεπισκόπησης για την αποτελεσματική διαχείριση της φυτικής παραγωγής. 

[[category:Υδατικοί Πόροι]]
[[category:Γεωργία]]

Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών χρησιμοποιώντας GIS και τεχνικές τηλεπισκόπησης

2024-02-16T11:05:26Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Estimation of Crop Water Productivity Using GIS and Remote Sensing Techniques''

'''Συγγραφείς: ''' Zenobia Talpur, Arjumand Z. Zaidi, Suhail Ahmed, Tarekegn Dejen Mengistu, Si-Jung Choi, Il-Moon Chung

'''Δημοσιεύθηκε: '''''Sustainability 2023, 15, 11154. https://doi.org/10.3390/su151411154 ''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Γεωργία, υδατικοί πόροι, αρδευτικό σύστημα

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών στην περιοχή της Σινδ '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_G_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Θέση της περιοχής μελέτης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Τύποι και πηγές δεδομένων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' (a) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Rabi, (b) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Kharif , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2014–2015), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2016–2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (2017), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας σιταριού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας βαμβακιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας ρυζιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

Ο αγροτικός τομέας καταναλώνει το 90% του παγκόσμιου νερού, από το οποίο το 40% των καλλιεργειών παράγεται μέσω του συστήματος άρδευσης. Η μη βιώσιμη γεωργία δεν μπορεί να επιτύχει τις διατροφικές απαιτήσεις για τον αυξανόμενο πληθυσμό και ο αγροτικός τομέας αντιμετωπίζει προκλήσεις χαμηλής παραγωγικότητας νερού των καλλιεργειών, έτσι η χρήση του νερού πρέπει να βελτιστοποιηθεί για να παράγει περισσότερα τρόφιμα. Ο αγροτικός τομέας του Πακιστάν συνεισφέρει το 24% της Ακαθάριστης Εγχώριας Παραγωγής και απασχολεί το 45% του συνολικού εργατικού δυναμικού του. Το Πακιστάν έχει δύο κύριες περιόδους καλλιέργειας - Rabi and Kharif. Η καλλιέργεια Kharif εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ποσότητα και την κατανομή των βροχοπτώσεων, ειδικά κατά την περίοδο των μουσώνων. Το σύστημα καναλιών του ποταμού Ινδού υποστηρίζει κυρίως τη γεωργία. Το φράγμα Sukkur είναι το παλαιότερο από αυτά. Πριν από το φράγμα Sukkur, χτίστηκε το κανάλι Rohri μήκους 350 χιλιομέτρων, ένα από τα παλαιότερα κανάλια, το οποίο ποτίζει αγροκτήματα στην αριστερή όχθη του ποταμού Ινδού κάτω από το φράγμα Sukkur και περίπου 2,9 εκατομμύρια στρέμματα γεωργικής γης αντλούν νερό από αυτό σε εννέα περιοχές. Επίσης, ποτίζει εδάφη μέχρι την παράκτια περιοχή της Σινδ για οπωρώνες και περιοχές όπου καλλιεργούνται καλλιέργειες όπως το ζαχαροκάλαμο, το βαμβάκι και το σιτάρι. Η φθίνουσα διαθεσιμότητα νερού στο Πακιστάν είναι ανησυχητική, λόγω της ταχείας αστικοποίησης και εκβιομηχάνισης τα τελευταία πενήντα χρόνια. Εκτός από τον ποταμό Ινδό, άλλοι υδατικοί πόροι στο Πακιστάν είναι τα υπόγεια ύδατα και η βροχόπτωση. Ωστόσο, τα υπόγεια ύδατα εξαντλούνται με τεράστιο ρυθμό λόγω της εκτεταμένης υπερεκμετάλλευσης. Η ανάγκη για άρδευση έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία 20 χρόνια λόγω της επέκτασης της περιοχής καλλιέργειας. Η παροχή νερού ήταν μικρότερη από το 26% των απαιτήσεων σε νερό των καλλιεργειών το καλοκαίρι του 2012, ενώ το χειμώνα, ήταν περίπου 20% πλεόνασμα. Ο ποταμός Ινδός έχει παραγωγικότητα 54%, ενώ η παραγωγικότητα του αρδευτικού συστήματος της Σινδ είναι μόλις 35%. Το κύριο πρόβλημα διαχείρισης του νερού είναι η έλλειψη νερού στις αρχές της περιόδου που ακολουθείται από υπερβολικό νερό με την έναρξη των μουσώνων. Οι αρχές της αποδοτικότητας του νερού βοηθούν στην αξιολόγηση της τρέχουσας παραγωγής και στη διερεύνηση στρατηγικών για την εξοικονόμηση πραγματικού νερού από τα χωράφια στις λεκάνες απορροής. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι η ιδέα να αξιοποιήσετε στο έπακρο τις καλλιέργειες, τα ζώα και άλλα πράγματα, ενώ χρησιμοποιείτε τη λιγότερη δυνατή ποσότητα νερού. Τα δεδομένα σχετικά με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται από τις καλλιέργειες πρέπει να λαμβάνονται ως προαπαιτούμενο πριν από τη χρήση αυτής της στρατηγικής. Η χρήση τιμών εξατμισοδιαπνοής (ET) για την επίλυση απλών εξισώσεων για τον προσδιορισμό της ποσότητας του νερού που καταναλώνεται μπορεί, επομένως, να είναι μια λύση σε αυτό το χρονικά περιορισμένο πρόβλημα. Οι πραγματικές μετρήσεις εξατμισοδιαπνοής (ETa) λαμβάνονται από δορυφορικές φωτογραφίες για επεξεργασία. Αυτή η μελέτη αναλύει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) και τη παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών σιταριού, ρυζιού και βαμβακιού σε εννέα περιοχές της Σινδ εντός της περιοχής διοίκησης του Καναλιού Rohri και θα βοηθήσει στον εντοπισμό περιοχών υψηλών γεωργικών επιδόσεων και θα παρέχει πληροφορίες για τη διαχείριση του συστήματος άρδευσης, οδηγώντας σε βιώσιμη παραγωγικότητα του νερού. Η τηλεπισκόπηση παρέχει μεγάλης κλίμακας δεδομένα εξατμισοδιαπνοής. Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε μια ισχυρή πύλη δεδομένων που βασίζεται στην τηλεπισκόπηση — ροή εξατμισοδιαπνοής του Google Earth Engine (EEFlux) που βασίζεται στη «Χαρτογράφηση εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερική βαθμονόμηση (METRIC)». Αυτός ο ιστότοπος δεδομένων έχει μεγάλες δυνατότητες εκτίμησης του ETa. Το METRIC είναι μια τροποποιημένη έκδοση του «Αλγόριθμου Επιφανειακής Εξισορρόπησης Ενέργειας για Γη (SEBAL), που χρησιμοποιείται στις μέρες μας για τη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής. Το METRIC απαιτεί χειροκίνητες επιλογές εικονοστοιχείων, επομένως έχουν αναπτυχθεί μοντέλα αυτόματης βαθμονόμησης λόγω αβεβαιότητας που μπορεί να προκύψει κατά τη βαθμονόμησή του με διαφορετικούς χρήστες. Τα αυτόματα μοντέλα απαιτούν επίσης τεράστια προεπεξεργασία, όπως η συναρμολόγηση διαφόρων στρωμάτων, το τοπικό κλίμα, τα δορυφορικά δεδομένα, οι χρήσεις γης/κάλυψη, οι χάρτες εδάφους και η εισαγωγή δεδομένων. Το EEFlux όχι μόνο παρέχει έναν αυτόματο μηχανισμό εισαγωγής δεδομένων, αλλά συνδέεται επίσης με το Google Earth Engine (GEE) με τον αλγόριθμο METRIC και παρέχει χάρτες για το Landsat 5, 7, ή 8. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν εικόνες Landsat 5 και 8. 

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Περιγραφή της Περιοχής Μελέτης '''

Το κανάλι Rohri είναι ένα κύριο συστατικό του γεωργικού τομέα στη Σινδ και είναι ένα τεχνητό κανάλι χτισμένο στο φράγμα Sukkur με 2,6 εκατομμύρια στρέμματα για άρδευση. Η περιοχή διοίκησης του καναλιού Rohri καλύπτει και παρέχει νερό σε μεγάλα τμήματα των εννέα περιοχών της Σινδ και βρίσκεται σε θερμό κλίμα με ετήσια βροχόπτωση που δεν υπερβαίνει τα 200 mm και ελάχιστη θερμοκρασία 18 ◦C. Οι κύριες καλλιέργειες που παράγονται σε αυτές τις περιοχές είναι το βαμβάκι και το σιτάρι. Το ρύζι καλλιεργείται επίσης σε αυτήν την περιοχή, αλλά δεν συγκαταλέγεται στις κύριες καλλιέργειες. 

''' 2.2. Μεθοδολογία '''

Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών ορίζεται ως η αναλογία της απόδοσης της καλλιέργειας διαιρούμενη με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται για την παραγωγή της και υπολογίστηκε για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι για τη περίοδο Kharif (1998 και 2017) και Rabi (2014–2015 και 2016–2017). Μετρήθηκε σε kg/m3 και οι χρήσεις του νερού των καλλιεργειών, ή ETa, υπολογίζονται από δεδομένα τηλεπισκόπησης. Χρησιμοποιώντας δορυφορικά δεδομένα, η χρήση του νερού των καλλιεργειών μπορεί να μετρηθεί σε μεγαλύτερες χρονικές και χωρικές κλίμακες. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως η άρδευση, η γονιμότητα του εδάφους, ο έλεγχος παρασίτων και ασθενειών και συχνά αυξάνεται από οποιονδήποτε διαχειριστικό παράγοντα που βελτιώνει την παραγωγή των καλλιεργειών, καθώς η εξατμισοδιαπνοή είναι συνήθως λιγότερο αντιδραστική στις αλλαγές αυτών των παραγόντων από την απόδοση. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι απαραίτητη για την κατανόηση της σχέσης μεταξύ νερού και τροφής και οι τιμές της για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι εκτιμήθηκαν χρησιμοποιώντας την εξίσωση (1): 

<center> ''' CWP = y (Yield) /ETa , (1) ''' </center>

όπου, η CWP είναι η Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών (kg/m3 ), το y αντιπροσωπεύει την απόδοση (kg/m2 ), το ETa είναι η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (m3/ha1). Για αυτήν τη μελέτη, η αρδευόμενη περιοχή και οι αποδόσεις σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού ελήφθησαν από το τμήμα υπηρεσιών αναφοράς καλλιεργειών στο Χαϊντεραμπάντ. 

''' 2.3. Σύνολα δεδομένων '''

''' 2.3.1. Δεδομένα καλλιεργειών '''

Τα δεδομένα για τις καλλιέργειες ελήφθησαν από τη στατιστική έκθεση της Σινδ και το τμήμα γεωργίας.

''' 2.3.2. Crop Masks '''

Crop Masks μπορεί να οριστεί ως η χωρική πληροφορία της κατανομής των διαφόρων καλλιεργειών. Crop Masks για το σιτάρι (2013–2014), το βαμβάκι και το ρύζι (2014–2015) αναπτύχθηκαν από τον Οργανισμό Τροφίμων και Γεωργίας και το Υπουργείο Γεωργίας των Ηνωμένων Πολιτειών ως μέρος του έργου «Γεωργικό Πληροφοριακό Σύστημα - Δημιουργία επαρχιακής ικανότητας στο Πακιστάν για την εκτίμηση, την πρόβλεψη και την αναφορά των καλλιεργειών με βάση την ολοκληρωμένη χρήση των δεδομένων τηλεπισκόπησης». Οι δορυφορικές εικόνες SPOT-5 έχουν χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή αυτών των Crop Masks. 

''' 2.3.3. Εξατμισοδιαπνοή Αναφοράς'''

Για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr), υποθέσαμε ότι η γη ήταν καλυμμένη με γρασίδι και υπολογίσαμε την εξατμισοδιαπνοή από αυτό το γρασίδι. Για τη λεκάνη του Ινδού, σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιούνται τιμές εξατμισοδιαπνοής αναφοράς χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Penman–Monteith.

''' 2.3.4. Δεδομένα Τηλεπισκόπησης '''

Οι εικόνες Landsat λαμβάνονται από την πύλη Earth Engine Evapotranspiration Flux (EEFlux), η οποία παρέχει επεξεργασμένες εικόνες Landsat 5 και 8. Βασίζεται στη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερικοποιημένη βαθμονόμηση και η διαδικασία που βασίζεται στην εικόνα Landsat λειτουργεί στο σύστημα Google Earth Engine. Η χρονική ανάλυση είναι 16 ημέρες με χωρική ανάλυση 30 m. Χρησιμοποιώντας την εξίσωση Penman-Monteith, το EEFlux περιλαμβάνει σύστημα αφομοίωσης δεδομένων γης της Βόρειας Αμερικής για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr). Τα έτη 1998, 2017, 2014–2015 και 2016–2017 επιλέχθηκαν με βάση τις χαμηλές και υψηλές ροές που προέκυψαν από τα δεδομένα ροής χρησιμοποιώντας την ανάλυση συχνότητας. 

''' 2.3.5. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Το EEFlux παρέχει βαθμονομημένες εικόνες που αποδίδουν μια τιμή εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr) σε κάθε εικονοστοιχείο και η τιμή της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) ανά ημέρα υπολογίστηκε πολλαπλασιάζοντας την ETr και την πιθανή εξατμισοδιαπνοή ETo. Εικόνες Landsat εξήγαγαν την ETr από τις καλλιέργειες σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού. Οι ημερομηνίες αναφοράς του παράγοντα εξατμισοδιαπνοής (ETrf) επιλέχθηκαν από τα Πρότυπα του Τμήματος Άρδευσης της Σινδ και από τη χρονική περίοδο των σταδίων ανάπτυξης της καλλιέργειας από την αρχική έως την ωριμότητα. Ωστόσο, κάθε καλλιέργεια έχει διαφορετικές χρονικές περιόδους ανάπτυξης. Η ETa θεωρείται ως κατάλοιπο του ενεργειακού ισοζυγίου της επιφάνειας. Δίνεται στην Εξίσωση (2).

<center> ''' LE = Rn − H − G, (2) ''' </center>

όπου, LE είναι η λανθάνουσα ροή θερμότητας, Rn είναι καθαρή ακτινοβολία, G είναι ροή θερμότητας του εδάφους και H είναι αισθητή ροή θερμότητας. Ο ETrF (συντελεστής εξατμισοδιαπνοής αναφοράς) υπολογίστηκε με την Εξίσωση (3) και η σωρευτική ETa για κάθε εποχή υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας την Εξίσωση (4) για διαφορετικές φάσεις ανάπτυξης της καλλιέργειας, συμπεριλαμβανομένων των σταδίων αρχικής, ανάπτυξης, ανθοφορίας και ωριμότητας. 

<center> ''' ETrF = ETa/ETr(Re f erence ET) , (3) ''' </center>

<center> ''' ETseason = ETrFseasonΣ n q ETr−24, (4) ''' </center>

όπου, το ETrf αντιπροσωπεύει το ET αναφοράς για μια συγκεκριμένη περίοδο σταδίου ανάπτυξης, το ETr−24 είναι ένα ημερήσιο ET αναφοράς για συγκεκριμένο αριθμό ημερών, το n υποδηλώνει αριθμό ημερών και ελήφθησαν οι τιμές ETr της απαιτούμενης περιοχής εντολής καναλιού. 

''' 2.4. Ημερολόγια καλλιεργειών '''

Το ημερολόγιο καλλιεργειών διαφέρει για διαφορετικές περιοχές αλλά και από καλλιέργεια σε καλλιέργεια, όπως το σιτάρι που καλλιεργείται στο Rabi και το βαμβάκι που καλλιεργείται στο Kharif. Για τον υπολογισμό της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) χρησιμοποιήθηκαν ημερολόγια καλλιέργειας για τις μεσαίες και κατώτερες περιοχές της Σινδ. Οι ημερομηνίες για το μεσαίο και το κάτω μέρος της Σινδ είναι διαφορετικές για τη σπορά και τη συγκομιδή, δηλαδή, το αρχικό στάδιο σποράς στην κάτω Σινδ ξεκινά ένα μήνα νωρίτερα απ'οτι στη μεσαία. Η καλλιέργεια σιταριού της εποχής Rabi ξεκινά τον Οκτώβριο και τον Νοέμβριο, αντίστοιχα, στα κάτω και στα ανώτερα τμήματα της επαρχίας. Αντίθετα, οι καλλιέργειες βαμβακιού και ρυζιού καλλιεργούνται την περίοδο Kharif από τον Απρίλιο. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΕΙΣ '''

''' 3.1. Το ποτάμι ρέει '''

Αξιολογήθηκαν οι ετήσιες εποχιακές ροές. Το εκατοστημόριο υπολογίζεται από αυτό το διάγραμμα ροής, το οποίο ρέει από το φράγμα Sukkur. Τα δεδομένα N Μέγιστης Ετήσιας Απόρριψης παρατίθενται στον παρακάτω πίνακα (για τη μεγαλύτερη κατάταξη ροής M = 1 και τη μικρότερη κατάταξη ροής M = n ή 21 σε αυτήν τη μελέτη). Ωστόσο, η εξίσωση (4α) δείχνει το μέσο διάστημα δύο εκφορτίσεων ίσου (ή μεγαλύτερου) μεγέθους σε χρόνια μεταξύ των εμφανίσεων που είναι γνωστό ως Διάστημα Υποτροπής (RI). 

<center> ''' RI = (Ν + 1)/Μ , (4α) ''' </center>

όπου, RI = Διάστημα υποτροπής, N = Μέγιστη Ετήσια Απόρριψη, Μ = Κατάταξη. Η εξίσωση (4β) μπορεί να ορίσει μια πιθανότητα ενός δεδομένου μεγέθους μιας πλημμύρας κάθε χρόνο.

<center> ''' P = (1/RI)× 100 , (4β) ''' </center>

Η εικόνα 3α δείχνει τα έτη και τις ροές της σεζόν Rabi από το 1998–1999 έως το 2018–2019 του Sukkur Barrage, ενώ οι τάξεις κατανεμήθηκαν και ταξινομήθηκαν σύμφωνα με τις ροές όπως υψηλή, μεσαία και χαμηλή. Η πιθανότητα υπέρβασης (P) έχει υπολογιστεί για την εποχή Rabi κατά την οποία καλλιεργούνται οι καλλιέργειες σιταριού. Υπήρξε υψηλή ροή το 2014–2015 και η μέση ροή καταγράφηκε το 2003–2004. Το έτος 2016-2017 θεωρήθηκε μέσης ροής και το 2001 το 2002 με την τελευταία κατάταξη, που θεωρήθηκε έτος χαμηλής ροής. Η εικόνα 3b παρουσιάζει την ανάλυση συχνότητας των ροών της εποχής Kharif από το 1998 έως το 2017 του φράγματος Sukkur. Οι ροές κατηγοριοποιήθηκαν ως υψηλές, μεσαίες και χαμηλές. Το 2010 Kharif το υγρό έτος λόγω της πλημμύρας του ποταμού, που προκαλεί ζημιές στη Σίντ. Ως εκ τούτου, το 1998 επιλέχθηκε ως το έτος υψηλής ροής (επόμενο υψηλότερο μετά το 2010). Το έτος μέσης ροής ήταν το 2017 και το έτος χαμηλής ροής ήταν το 2004. Σε αυτή τη μελέτη αναλύθηκαν καλλιέργειες ρυζιού και βαμβακιού που καλλιεργήθηκαν την περίοδο Kharif. 

''' 3.2. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Υπολογίστηκε η πραγματική μηνιαία εξατμισοδιαπνοή, η οποία υπολογίζει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας (CWP). Μπορεί να παρατηρηθεί ότι το αρχικό στάδιο έχει το χαμηλότερο ETa, ενώ το στάδιο της ανθοφορίας έχει την υψηλότερη εξατμισοδιαπνοή αφού σε αυτό το στάδιο απαιτείται περισσότερο νερό για την ανάπτυξη των φυτών.

''' 3.2.1. Καλλιέργεια Σιταριού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή έχει υπολογιστεί χρησιμοποιώντας μάσκες καλλιέργειας για τα τέσσερα στάδια: αρχικό, ανάπτυξη της καλλιέργειας, ανθοφορία και ωριμότητα. Η εικόνα 4α απεικονίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της εποχής Rabi της καλλιέργειας σίτου, που υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας το ETrf και το ETr. Το ETa είναι χαμηλό στο αρχικό στάδιο, καθώς είναι το στάδιο της σποράς, ενώ το ETa ήταν υψηλότερο στο στάδιο της ανθοφορίας (2014–2015). Η εικόνα 4β δείχνει την τιμή ETa για την περίοδο 2016–2017, χαμηλότερη από την τιμή για την περίοδο 2014–2015.

''' 3.2.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) ήταν περισσότερο για την καλλιέργεια βαμβακιού παρά για το σιτάρι. Η Εικόνα 5a παρουσιάζει την ETa για την καλλιέργεια βαμβακιού της περιόδου Kharif του 1998 όταν η ροή ήταν υψηλή και η Εικόνα 5β δείχνει την υψηλότερη τιμή ETa για το 2017, υψηλότερη από το 1998. Το 2017 οι ροές ήταν κανονικές/μέτριες. Αυτό δείχνει ότι οι υψηλότερες ροές δεν συνδέονται απαραίτητα με υψηλότερες τιμές ETa. 

''' 3.2.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η εικόνα 6α απεικονίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας ρυζιού το 1998, την υψηλότερη μεταξύ άλλων καλλιεργειών όπως το σιτάρι και το βαμβάκι, καθώς το ρύζι καταναλώνει περισσότερο νερό. Ωστόσο, το ρύζι δεν είναι η κύρια καλλιέργεια της Σίντ. Η εικόνα 6β παρουσιάζει το ETa του Hyderabad, του Badin και του Matiyari για το 2017. Η καλλιέργεια ρυζιού καλλιεργείται στις συνοικίες της Σίντ, ωστόσο, απαγορεύεται στην Κάτω Σίντ λόγω λειψυδρίας. 

''' 3.3. Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών Κύριων Καλλιεργειών '''

''' 3.3.1. Καλλιέργεια Σιταριού (2014-2015 και 2016-2017) '''

Η μέση παγκόσμια CWP σιταριού είναι 0,86 kg/m3 έως 1,80 kg/m3. Υπάρχουν τρεις παγκόσμιες κατηγορίες για CWP σίτου: χαμηλή (<= 0,75 kg/m3), μεσαία (> 0,75 kg/m3 έως < 1,10 kg/m3) και υψηλή (>= 1,10 kg/m3). Για το Πακιστάν, η μέση CWP είναι 0,80 kg/m3 έως 0,91 kg/m3, η οποία εμπίπτει στη μεσαία κατηγορία. Υπήρξε υψηλότερη ροή το 2014-2015, ενώ το 2016-2017 ήταν μέτρια. Η μέση CWP για την καλλιέργεια σίτου ήταν 1,03 kg/m3 σε 2014–2015 και 1,02 kg/m3 το 2016-2017. Συνολικά, η CWP της καλλιέργειας σιταριού είναι κάτω από το αναφερόμενο εύρος, δηλαδή μεταξύ 0,32 kg/m3 έως 1,08 kg/m3. Λόγω της υπερχείλισης, της αλατότητας, των συνθηκών του εδάφους και της έλλειψης διαθεσιμότητας υπόγειων υδάτων, το CWP της Σινδ είναι μικρότερη από το Παντζάμπ. Η απόδοση σιταριού της Σινδ είναι 33% μικρότερη από την απόδοση σιταριού του Παντζάμπ.

''' 3.3.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η Εικόνα 8 αντιπροσωπεύει το CWP του βαμβακιού για την εποχή Kharif (1998 και 2017). Για τα έτη αυτά, οι τιμές CWP της καλλιέργειας βαμβακιού ήταν σταθερές. Οι μέσες CWP της περιοχής μελέτης των καλλιεργειών βαμβακιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,12 kg/m3 και 0,16 kg/m3,αντίστοιχα. Οι μέσες τιμές CWP για το βαμβάκι ήταν 0,22 kg/m3 και 0,26 kg/m3. Η χαμηλότερη CWP του Badin οφείλεται στην κακή ποιότητα της εικόνας, έτσι, έγινε δύσκολος ο υπολογισμός της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής και εφαρμόστηκαν διορθώσεις στο σύννεφο όπου η κάλυψη του νέφους ήταν περίπου 50%. 

''' 3.3.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η Εικόνα 9 δείχνει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας του ρυζιού που καλλιεργείται στην περιοχή μελέτης. Οι περισσότερες από τις καλλιέργειες που επιλέχθηκαν σε αυτή τη μελέτη είναι κύριες καλλιέργειες, εκτός από το ρύζι. Το ρύζι είναι μια από τις άλλες καλλιέργειες που η κυβέρνηση της Σινδ απαγόρευσε λόγω της έλλειψης νερού,ωστόσο, το ρύζι καλλιεργήθηκε το 1998 σε όλη τη Σινδ. Συνολικά, οι μέσες τιμές CWP ρυζιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,32 kg/m3 και 0,54 kg/m3, αντίστοιχα. Δεδομένου ότι το ρύζι δεν απαγορεύτηκε το 1998 στην περιοχή μελέτης, το νερό για άλλες καλλιέργειες χρησιμοποιήθηκε για το ρύζι. Οι άλλες καλλιέργειες πήραν αρκετό νερό μετά τη διακοπή της καλλιέργειας ρυζιού.

''' 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Αυτή η μελέτη υπολόγισε την παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών (CWP) του σιταριού, του βαμβακιού και του ρυζιού του Καναλιού Rohri, χρησιμοποιώντας δεδομένα τηλεπισκόπησης στο περιβάλλον GIS. Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή υπολογίστηκε για τις εννέα περιοχές για δύο εποχές Rabi (2014 -2015 και 2016–2017) και δύο εποχές Kharif (1998 και 2017). Τα έτη επιλέχθηκαν με βάση τις υψηλές και μέτριες ροές που περνούσαν από το φράγμα Sukkur. Το ETa ήταν υψηλότερο στην καλλιέργεια ρυζιού, ενώ ήταν μικρότερο από την καλλιέργεια βαμβακιού για την καλλιέργεια σιταριού, καθώς το ETa εξαρτάται από τον τύπο της καλλιέργειας, διότι ορισμένες καλλιέργειες χρειάζονται περισσότερο νερό από άλλες. Τα αποτελέσματα της μελέτης συνόψισαν ότι η εκτίμηση του πραγματικού ET είναι ζωτικής σημασίας για τη διαχείριση του νερού άρδευσης και των συνθηκών καταπόνησης των καλλιεργειών. Αυτή η χρήση του μοντέλου EEFlux για τη λήψη εικόνων ETrf είναι εφικτή για την επεξεργασία τους με ελάχιστη προσπάθεια. Η μέση CWP της καλλιέργειας σιταριού για την περίοδο 2014–2015 και 2016–2017 ήταν, αντίστοιχα, 1,03 kg/m3 και 1,02 kg/m3, ενώ η CWP αυξήθηκε το έτος 2014–2015 σε σύγκριση με το 2016–2017. Υπάρχει περιορισμός δεδομένων σε τρεις περιφέρειες (Matiyari, Tando Allahyar και Tando Muhammad Khan) σχετικά με την περιοχή καλλιέργειας και την παραγωγή βαμβακιού και ρυζιού το 1998, επομένως, υπολογίστηκε η μέσα CWP βαμβακιού και ρυζιού μόνο για έξι περιοχές. Το 1998, συνολικά, η CWP αυξήθηκε και για τις δύο καλλιέργειες, ωστόσο, το ρύζι έχει απαγορευτεί από την κυβέρνηση της Σίντ στην επαρχία Σιντ λόγω της έλλειψης νερού. Το ρύζι παίρνει περισσότερο νερό από άλλες καλλιέργειες και το εξοικονομημένο νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οικιακούς και βιομηχανικούς σκοπούς. Η CWP επηρεάζεται από γεωργικές πρακτικές που περιλαμβάνουν προετοιμασία γης, μεθόδους σποράς, ποιότητα σπόρων και εδάφους, εφαρμογή νερού και λιπασμάτων και έλεγχο ζιζανίων και παρασίτων. Η προτεινόμενη προσέγγιση είναι αρκετά εφικτή και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διαφορετικές περιοχές με διάφορες καλλιέργειες, ενώ προωθούνται τεχνικές τηλεπισκόπησης για την αποτελεσματική διαχείριση της φυτικής παραγωγής. 

[[category:Υδατικοί Πόροι]]
[[category:Γεωργία]]

Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών χρησιμοποιώντας GIS και τεχνικές τηλεπισκόπησης

2024-02-16T11:01:00Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Estimation of Crop Water Productivity Using GIS and Remote Sensing Techniques''

'''Συγγραφείς: ''' Zenobia Talpur, Arjumand Z. Zaidi, Suhail Ahmed, Tarekegn Dejen Mengistu, Si-Jung Choi, Il-Moon Chung

'''Δημοσιεύθηκε: '''''Sustainability 2023, 15, 11154. https://doi.org/10.3390/su151411154 ''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Γεωργία, υδατικοί πόροι, αρδευτικό σύστημα

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών στην περιοχή της Σινδ '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_G_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Θέση της περιοχής μελέτης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Τύποι και πηγές δεδομένων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' (a) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Rabi, (b) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Kharif , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2014–2015), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2016–2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (2017), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας σιταριού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας βαμβακιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας ρυζιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

Ο αγροτικός τομέας καταναλώνει το 90% του παγκόσμιου νερού, από το οποίο το 40% των καλλιεργειών παράγεται μέσω του συστήματος άρδευσης. Η μη βιώσιμη γεωργία δεν μπορεί να επιτύχει τις διατροφικές απαιτήσεις για τον αυξανόμενο πληθυσμό και ο αγροτικός τομέας αντιμετωπίζει προκλήσεις χαμηλής παραγωγικότητας νερού των καλλιεργειών, έτσι η χρήση του νερού πρέπει να βελτιστοποιηθεί για να παράγει περισσότερα τρόφιμα. Ο αγροτικός τομέας του Πακιστάν συνεισφέρει το 24% της Ακαθάριστης Εγχώριας Παραγωγής και απασχολεί το 45% του συνολικού εργατικού δυναμικού του. Το Πακιστάν έχει δύο κύριες περιόδους καλλιέργειας - Rabi and Kharif. Η καλλιέργεια Kharif εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ποσότητα και την κατανομή των βροχοπτώσεων, ειδικά κατά την περίοδο των μουσώνων. Το σύστημα καναλιών του ποταμού Ινδού υποστηρίζει κυρίως τη γεωργία. Το φράγμα Sukkur είναι το παλαιότερο από αυτά. Πριν από το φράγμα Sukkur, χτίστηκε το κανάλι Rohri μήκους 350 χιλιομέτρων, ένα από τα παλαιότερα κανάλια, το οποίο ποτίζει αγροκτήματα στην αριστερή όχθη του ποταμού Ινδού κάτω από το φράγμα Sukkur και περίπου 2,9 εκατομμύρια στρέμματα γεωργικής γης αντλούν νερό από αυτό σε εννέα περιοχές. Επίσης, ποτίζει εδάφη μέχρι την παράκτια περιοχή της Σινδ για οπωρώνες και περιοχές όπου καλλιεργούνται καλλιέργειες όπως το ζαχαροκάλαμο, το βαμβάκι και το σιτάρι. Η φθίνουσα διαθεσιμότητα νερού στο Πακιστάν είναι ανησυχητική, λόγω της ταχείας αστικοποίησης και εκβιομηχάνισης τα τελευταία πενήντα χρόνια. Εκτός από τον ποταμό Ινδό, άλλοι υδατικοί πόροι στο Πακιστάν είναι τα υπόγεια ύδατα και η βροχόπτωση. Ωστόσο, τα υπόγεια ύδατα εξαντλούνται με τεράστιο ρυθμό λόγω της εκτεταμένης υπερεκμετάλλευσης. Η ανάγκη για άρδευση έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία 20 χρόνια λόγω της επέκτασης της περιοχής καλλιέργειας. Η παροχή νερού ήταν μικρότερη από το 26% των απαιτήσεων σε νερό των καλλιεργειών το καλοκαίρι του 2012, ενώ το χειμώνα, ήταν περίπου 20% πλεόνασμα. Ο ποταμός Ινδός έχει παραγωγικότητα 54%, ενώ η παραγωγικότητα του αρδευτικού συστήματος της Σινδ είναι μόλις 35%. Το κύριο πρόβλημα διαχείρισης του νερού είναι η έλλειψη νερού στις αρχές της περιόδου που ακολουθείται από υπερβολικό νερό με την έναρξη των μουσώνων. Οι αρχές της αποδοτικότητας του νερού βοηθούν στην αξιολόγηση της τρέχουσας παραγωγής και στη διερεύνηση στρατηγικών για την εξοικονόμηση πραγματικού νερού από τα χωράφια στις λεκάνες απορροής. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι η ιδέα να αξιοποιήσετε στο έπακρο τις καλλιέργειες, τα ζώα και άλλα πράγματα, ενώ χρησιμοποιείτε τη λιγότερη δυνατή ποσότητα νερού. Τα δεδομένα σχετικά με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται από τις καλλιέργειες πρέπει να λαμβάνονται ως προαπαιτούμενο πριν από τη χρήση αυτής της στρατηγικής. Η χρήση τιμών εξατμισοδιαπνοής (ET) για την επίλυση απλών εξισώσεων για τον προσδιορισμό της ποσότητας του νερού που καταναλώνεται μπορεί, επομένως, να είναι μια λύση σε αυτό το χρονικά περιορισμένο πρόβλημα. Οι πραγματικές μετρήσεις εξατμισοδιαπνοής (ETa) λαμβάνονται από δορυφορικές φωτογραφίες για επεξεργασία. Αυτή η μελέτη αναλύει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) και τη παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών σιταριού, ρυζιού και βαμβακιού σε εννέα περιοχές της Σινδ εντός της περιοχής διοίκησης του Καναλιού Rohri και θα βοηθήσει στον εντοπισμό περιοχών υψηλών γεωργικών επιδόσεων και θα παρέχει πληροφορίες για τη διαχείριση του συστήματος άρδευσης, οδηγώντας σε βιώσιμη παραγωγικότητα του νερού. Η τηλεπισκόπηση παρέχει μεγάλης κλίμακας δεδομένα εξατμισοδιαπνοής. Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε μια ισχυρή πύλη δεδομένων που βασίζεται στην τηλεπισκόπηση — ροή εξατμισοδιαπνοής του Google Earth Engine (EEFlux) που βασίζεται στη «Χαρτογράφηση εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερική βαθμονόμηση (METRIC)». Αυτός ο ιστότοπος δεδομένων έχει μεγάλες δυνατότητες εκτίμησης του ETa. Το METRIC είναι μια τροποποιημένη έκδοση του «Αλγόριθμου Επιφανειακής Εξισορρόπησης Ενέργειας για Γη (SEBAL), που χρησιμοποιείται στις μέρες μας για τη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής. Το METRIC απαιτεί χειροκίνητες επιλογές εικονοστοιχείων, επομένως έχουν αναπτυχθεί μοντέλα αυτόματης βαθμονόμησης λόγω αβεβαιότητας που μπορεί να προκύψει κατά τη βαθμονόμησή του με διαφορετικούς χρήστες. Τα αυτόματα μοντέλα απαιτούν επίσης τεράστια προεπεξεργασία, όπως η συναρμολόγηση διαφόρων στρωμάτων, το τοπικό κλίμα, τα δορυφορικά δεδομένα, οι χρήσεις γης/κάλυψη, οι χάρτες εδάφους και η εισαγωγή δεδομένων. Το EEFlux όχι μόνο παρέχει έναν αυτόματο μηχανισμό εισαγωγής δεδομένων, αλλά συνδέεται επίσης με το Google Earth Engine (GEE) με τον αλγόριθμο METRIC και παρέχει χάρτες για το Landsat 5, 7, ή 8. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν εικόνες Landsat 5 και 8. 

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Περιγραφή της Περιοχής Μελέτης '''

Το κανάλι Rohri είναι ένα κύριο συστατικό του γεωργικού τομέα στη Σινδ και είναι ένα τεχνητό κανάλι χτισμένο στο φράγμα Sukkur με 2,6 εκατομμύρια στρέμματα για άρδευση. Η περιοχή διοίκησης του καναλιού Rohri καλύπτει και παρέχει νερό σε μεγάλα τμήματα των εννέα περιοχών της Σινδ και βρίσκεται σε θερμό κλίμα με ετήσια βροχόπτωση που δεν υπερβαίνει τα 200 mm και ελάχιστη θερμοκρασία 18 ◦C. Οι κύριες καλλιέργειες που παράγονται σε αυτές τις περιοχές είναι το βαμβάκι και το σιτάρι. Το ρύζι καλλιεργείται επίσης σε αυτήν την περιοχή, αλλά δεν συγκαταλέγεται στις κύριες καλλιέργειες. 

''' 2.2. Μεθοδολογία '''

Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών ορίζεται ως η αναλογία της απόδοσης της καλλιέργειας διαιρούμενη με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται για την παραγωγή της και υπολογίστηκε για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι για τη περίοδο Kharif (1998 και 2017) και Rabi (2014–2015 και 2016–2017). Μετρήθηκε σε kg/m3 και οι χρήσεις του νερού των καλλιεργειών, ή ETa, υπολογίζονται από δεδομένα τηλεπισκόπησης. Χρησιμοποιώντας δορυφορικά δεδομένα, η χρήση του νερού των καλλιεργειών μπορεί να μετρηθεί σε μεγαλύτερες χρονικές και χωρικές κλίμακες. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως η άρδευση, η γονιμότητα του εδάφους, ο έλεγχος παρασίτων και ασθενειών και συχνά αυξάνεται από οποιονδήποτε διαχειριστικό παράγοντα που βελτιώνει την παραγωγή των καλλιεργειών, καθώς η εξατμισοδιαπνοή είναι συνήθως λιγότερο αντιδραστική στις αλλαγές αυτών των παραγόντων από την απόδοση. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι απαραίτητη για την κατανόηση της σχέσης μεταξύ νερού και τροφής και οι τιμές της για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι εκτιμήθηκαν χρησιμοποιώντας την εξίσωση (1): 

<center> ''' CWP = y (Yield) /ETa , (1) ''' </center>

όπου, η CWP είναι η Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών (kg/m3 ), το y αντιπροσωπεύει την απόδοση (kg/m2 ), το ETa είναι η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (m3/ha1). Για αυτήν τη μελέτη, η αρδευόμενη περιοχή και οι αποδόσεις σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού ελήφθησαν από το τμήμα υπηρεσιών αναφοράς καλλιεργειών στο Χαϊντεραμπάντ. 

''' 2.3. Σύνολα δεδομένων '''

''' 2.3.1. Δεδομένα καλλιεργειών '''

Τα δεδομένα για τις καλλιέργειες ελήφθησαν από τη στατιστική έκθεση της Σινδ και το τμήμα γεωργίας.

''' 2.3.2. Crop Masks '''

Crop Masks μπορεί να οριστεί ως η χωρική πληροφορία της κατανομής των διαφόρων καλλιεργειών. Crop Masks για το σιτάρι (2013–2014), το βαμβάκι και το ρύζι (2014–2015) αναπτύχθηκαν από τον Οργανισμό Τροφίμων και Γεωργίας και το Υπουργείο Γεωργίας των Ηνωμένων Πολιτειών ως μέρος του έργου «Γεωργικό Πληροφοριακό Σύστημα - Δημιουργία επαρχιακής ικανότητας στο Πακιστάν για την εκτίμηση, την πρόβλεψη και την αναφορά των καλλιεργειών με βάση την ολοκληρωμένη χρήση των δεδομένων τηλεπισκόπησης». Οι δορυφορικές εικόνες SPOT-5 έχουν χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή αυτών των Crop Masks. 

''' 2.3.3. Εξατμισοδιαπνοή Αναφοράς'''

Για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr), υποθέσαμε ότι η γη ήταν καλυμμένη με γρασίδι και υπολογίσαμε την εξατμισοδιαπνοή από αυτό το γρασίδι. Για τη λεκάνη του Ινδού, σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιούνται τιμές εξατμισοδιαπνοής αναφοράς χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Penman–Monteith.

''' 2.3.4. Δεδομένα Τηλεπισκόπησης '''

Οι εικόνες Landsat λαμβάνονται από την πύλη Earth Engine Evapotranspiration Flux (EEFlux), η οποία παρέχει επεξεργασμένες εικόνες Landsat 5 και 8. Βασίζεται στη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερικοποιημένη βαθμονόμηση και η διαδικασία που βασίζεται στην εικόνα Landsat λειτουργεί στο σύστημα Google Earth Engine. Η χρονική ανάλυση είναι 16 ημέρες με χωρική ανάλυση 30 m. Χρησιμοποιώντας την εξίσωση Penman-Monteith, το EEFlux περιλαμβάνει σύστημα αφομοίωσης δεδομένων γης της Βόρειας Αμερικής για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr). Τα έτη 1998, 2017, 2014–2015 και 2016–2017 επιλέχθηκαν με βάση τις χαμηλές και υψηλές ροές που προέκυψαν από τα δεδομένα ροής χρησιμοποιώντας την ανάλυση συχνότητας. 

''' 2.3.5. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Το EEFlux παρέχει βαθμονομημένες εικόνες που αποδίδουν μια τιμή εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr) σε κάθε εικονοστοιχείο και η τιμή της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) ανά ημέρα υπολογίστηκε πολλαπλασιάζοντας την ETr και την πιθανή εξατμισοδιαπνοή ETo. Εικόνες Landsat εξήγαγαν την ETr από τις καλλιέργειες σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού. Οι ημερομηνίες αναφοράς του παράγοντα εξατμισοδιαπνοής (ETrf) επιλέχθηκαν από τα Πρότυπα του Τμήματος Άρδευσης της Σινδ και από τη χρονική περίοδο των σταδίων ανάπτυξης της καλλιέργειας από την αρχική έως την ωριμότητα. Ωστόσο, κάθε καλλιέργεια έχει διαφορετικές χρονικές περιόδους ανάπτυξης. Η ETa θεωρείται ως κατάλοιπο του ενεργειακού ισοζυγίου της επιφάνειας. Δίνεται στην Εξίσωση (2).

<center> ''' LE = Rn − H − G, (2) ''' </center>

όπου, LE είναι η λανθάνουσα ροή θερμότητας, Rn είναι καθαρή ακτινοβολία, G είναι ροή θερμότητας του εδάφους και H είναι αισθητή ροή θερμότητας. Ο ETrF (συντελεστής εξατμισοδιαπνοής αναφοράς) υπολογίστηκε με την Εξίσωση (3) και η σωρευτική ETa για κάθε εποχή υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας την Εξίσωση (4) για διαφορετικές φάσεις ανάπτυξης της καλλιέργειας, συμπεριλαμβανομένων των σταδίων αρχικής, ανάπτυξης, ανθοφορίας και ωριμότητας. 

<center> ''' ETrF = ETa/ETr(Re f erence ET) , (3) ''' </center>

<center> ''' ETseason = ETrFseasonΣ n q ETr−24, (4) ''' </center>

όπου, το ETrf αντιπροσωπεύει το ET αναφοράς για μια συγκεκριμένη περίοδο σταδίου ανάπτυξης, το ETr−24 είναι ένα ημερήσιο ET αναφοράς για συγκεκριμένο αριθμό ημερών, το n υποδηλώνει αριθμό ημερών και ελήφθησαν οι τιμές ETr της απαιτούμενης περιοχής εντολής καναλιού. 

''' 2.4. Ημερολόγια καλλιεργειών '''

Το ημερολόγιο καλλιεργειών διαφέρει για διαφορετικές περιοχές αλλά και από καλλιέργεια σε καλλιέργεια, όπως το σιτάρι που καλλιεργείται στο Rabi και το βαμβάκι που καλλιεργείται στο Kharif. Για τον υπολογισμό της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) χρησιμοποιήθηκαν ημερολόγια καλλιέργειας για τις μεσαίες και κατώτερες περιοχές της Σίντ. Οι ημερομηνίες για το μεσαίο και το κάτω μέρος είναι διαφορετικές για τη σπορά και τη συγκομιδή. Το αρχικό στάδιο σποράς στην κάτω Σίντ ξεκινά ένα μήνα νωρίτερα από τη μεσαία Σίντ. Η καλλιέργεια σιταριού της εποχής Rabi ξεκινά τον Οκτώβριο και τον Νοέμβριο, αντίστοιχα, στα κάτω και στα ανώτερα τμήματα της επαρχίας. Αντίθετα, οι καλλιέργειες βαμβακιού και ρυζιού καλλιεργούνται την περίοδο Kharif από τον Απρίλιο. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΕΙΣ '''

''' 3.1. Το ποτάμι ρέει '''

Αξιολογήθηκαν οι ετήσιες εποχιακές ροές. Το εκατοστημόριο υπολογίζεται από αυτό το διάγραμμα ροής, το οποίο ρέει από το φράγμα Sukkur. Τα δεδομένα N Μέγιστης Ετήσιας Απόρριψης παρατίθενται στον παρακάτω πίνακα (για τη μεγαλύτερη κατάταξη ροής M = 1 και τη μικρότερη κατάταξη ροής M = n ή 21 σε αυτήν τη μελέτη). Ωστόσο, η εξίσωση (4α) δείχνει το μέσο διάστημα δύο εκφορτίσεων ίσου (ή μεγαλύτερου) μεγέθους σε χρόνια μεταξύ των εμφανίσεων που είναι γνωστό ως Διάστημα Υποτροπής (RI). 

<center> ''' RI = (Ν + 1)/Μ , (4α) ''' </center>

όπου, RI = Διάστημα υποτροπής, N = Μέγιστη Ετήσια Απόρριψη, Μ = Κατάταξη. Η εξίσωση (4β) μπορεί να ορίσει μια πιθανότητα ενός δεδομένου μεγέθους μιας πλημμύρας κάθε χρόνο.

<center> ''' P = (1/RI)× 100 , (4β) ''' </center>

Η εικόνα 3α δείχνει τα έτη και τις ροές της σεζόν Rabi από το 1998–1999 έως το 2018–2019 του Sukkur Barrage, ενώ οι τάξεις κατανεμήθηκαν και ταξινομήθηκαν σύμφωνα με τις ροές όπως υψηλή, μεσαία και χαμηλή. Η πιθανότητα υπέρβασης (P) έχει υπολογιστεί για την εποχή Rabi κατά την οποία καλλιεργούνται οι καλλιέργειες σιταριού. Υπήρξε υψηλή ροή το 2014–2015 και η μέση ροή καταγράφηκε το 2003–2004. Το έτος 2016-2017 θεωρήθηκε μέσης ροής και το 2001 το 2002 με την τελευταία κατάταξη, που θεωρήθηκε έτος χαμηλής ροής. Η εικόνα 3b παρουσιάζει την ανάλυση συχνότητας των ροών της εποχής Kharif από το 1998 έως το 2017 του φράγματος Sukkur. Οι ροές κατηγοριοποιήθηκαν ως υψηλές, μεσαίες και χαμηλές. Το 2010 Kharif το υγρό έτος λόγω της πλημμύρας του ποταμού, που προκαλεί ζημιές στη Σίντ. Ως εκ τούτου, το 1998 επιλέχθηκε ως το έτος υψηλής ροής (επόμενο υψηλότερο μετά το 2010). Το έτος μέσης ροής ήταν το 2017 και το έτος χαμηλής ροής ήταν το 2004. Σε αυτή τη μελέτη αναλύθηκαν καλλιέργειες ρυζιού και βαμβακιού που καλλιεργήθηκαν την περίοδο Kharif. 

''' 3.2. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Υπολογίστηκε η πραγματική μηνιαία εξατμισοδιαπνοή, η οποία υπολογίζει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας (CWP). Μπορεί να παρατηρηθεί ότι το αρχικό στάδιο έχει το χαμηλότερο ETa, ενώ το στάδιο της ανθοφορίας έχει την υψηλότερη εξατμισοδιαπνοή αφού σε αυτό το στάδιο απαιτείται περισσότερο νερό για την ανάπτυξη των φυτών.

''' 3.2.1. Καλλιέργεια Σιταριού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή έχει υπολογιστεί χρησιμοποιώντας μάσκες καλλιέργειας για τα τέσσερα στάδια: αρχικό, ανάπτυξη της καλλιέργειας, ανθοφορία και ωριμότητα. Η εικόνα 4α απεικονίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της εποχής Rabi της καλλιέργειας σίτου, που υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας το ETrf και το ETr. Το ETa είναι χαμηλό στο αρχικό στάδιο, καθώς είναι το στάδιο της σποράς, ενώ το ETa ήταν υψηλότερο στο στάδιο της ανθοφορίας (2014–2015). Η εικόνα 4β δείχνει την τιμή ETa για την περίοδο 2016–2017, χαμηλότερη από την τιμή για την περίοδο 2014–2015.

''' 3.2.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) ήταν περισσότερο για την καλλιέργεια βαμβακιού παρά για το σιτάρι. Η Εικόνα 5a παρουσιάζει την ETa για την καλλιέργεια βαμβακιού της περιόδου Kharif του 1998 όταν η ροή ήταν υψηλή και η Εικόνα 5β δείχνει την υψηλότερη τιμή ETa για το 2017, υψηλότερη από το 1998. Το 2017 οι ροές ήταν κανονικές/μέτριες. Αυτό δείχνει ότι οι υψηλότερες ροές δεν συνδέονται απαραίτητα με υψηλότερες τιμές ETa. 

''' 3.2.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η εικόνα 6α απεικονίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας ρυζιού το 1998, την υψηλότερη μεταξύ άλλων καλλιεργειών όπως το σιτάρι και το βαμβάκι, καθώς το ρύζι καταναλώνει περισσότερο νερό. Ωστόσο, το ρύζι δεν είναι η κύρια καλλιέργεια της Σίντ. Η εικόνα 6β παρουσιάζει το ETa του Hyderabad, του Badin και του Matiyari για το 2017. Η καλλιέργεια ρυζιού καλλιεργείται στις συνοικίες της Σίντ, ωστόσο, απαγορεύεται στην Κάτω Σίντ λόγω λειψυδρίας. 

''' 3.3. Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών Κύριων Καλλιεργειών '''

''' 3.3.1. Καλλιέργεια Σιταριού (2014-2015 και 2016-2017) '''

Η μέση παγκόσμια CWP σιταριού είναι 0,86 kg/m3 έως 1,80 kg/m3. Υπάρχουν τρεις παγκόσμιες κατηγορίες για CWP σίτου: χαμηλή (<= 0,75 kg/m3), μεσαία (> 0,75 kg/m3 έως < 1,10 kg/m3) και υψηλή (>= 1,10 kg/m3). Για το Πακιστάν, η μέση CWP είναι 0,80 kg/m3 έως 0,91 kg/m3, η οποία εμπίπτει στη μεσαία κατηγορία. Υπήρξε υψηλότερη ροή το 2014-2015, ενώ το 2016-2017 ήταν μέτρια. Η μέση CWP για την καλλιέργεια σίτου ήταν 1,03 kg/m3 σε 2014–2015 και 1,02 kg/m3 το 2016-2017. Συνολικά, η CWP της καλλιέργειας σιταριού είναι κάτω από το αναφερόμενο εύρος, δηλαδή μεταξύ 0,32 kg/m3 έως 1,08 kg/m3. Λόγω της υπερχείλισης, της αλατότητας, των συνθηκών του εδάφους και της έλλειψης διαθεσιμότητας υπόγειων υδάτων, το CWP της Σινδ είναι μικρότερη από το Παντζάμπ. Η απόδοση σιταριού της Σινδ είναι 33% μικρότερη από την απόδοση σιταριού του Παντζάμπ.

''' 3.3.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η Εικόνα 8 αντιπροσωπεύει το CWP του βαμβακιού για την εποχή Kharif (1998 και 2017). Για τα έτη αυτά, οι τιμές CWP της καλλιέργειας βαμβακιού ήταν σταθερές. Οι μέσες CWP της περιοχής μελέτης των καλλιεργειών βαμβακιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,12 kg/m3 και 0,16 kg/m3,αντίστοιχα. Οι μέσες τιμές CWP για το βαμβάκι ήταν 0,22 kg/m3 και 0,26 kg/m3. Η χαμηλότερη CWP του Badin οφείλεται στην κακή ποιότητα της εικόνας, έτσι, έγινε δύσκολος ο υπολογισμός της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής και εφαρμόστηκαν διορθώσεις στο σύννεφο όπου η κάλυψη του νέφους ήταν περίπου 50%. 

''' 3.3.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η Εικόνα 9 δείχνει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας του ρυζιού που καλλιεργείται στην περιοχή μελέτης. Οι περισσότερες από τις καλλιέργειες που επιλέχθηκαν σε αυτή τη μελέτη είναι κύριες καλλιέργειες, εκτός από το ρύζι. Το ρύζι είναι μια από τις άλλες καλλιέργειες που η κυβέρνηση της Σινδ απαγόρευσε λόγω της έλλειψης νερού,ωστόσο, το ρύζι καλλιεργήθηκε το 1998 σε όλη τη Σινδ. Συνολικά, οι μέσες τιμές CWP ρυζιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,32 kg/m3 και 0,54 kg/m3, αντίστοιχα. Δεδομένου ότι το ρύζι δεν απαγορεύτηκε το 1998 στην περιοχή μελέτης, το νερό για άλλες καλλιέργειες χρησιμοποιήθηκε για το ρύζι. Οι άλλες καλλιέργειες πήραν αρκετό νερό μετά τη διακοπή της καλλιέργειας ρυζιού.

''' 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Αυτή η μελέτη υπολόγισε την παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών (CWP) του σιταριού, του βαμβακιού και του ρυζιού του Καναλιού Rohri, χρησιμοποιώντας δεδομένα τηλεπισκόπησης στο περιβάλλον GIS. Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή υπολογίστηκε για τις εννέα περιοχές για δύο εποχές Rabi (2014 -2015 και 2016–2017) και δύο εποχές Kharif (1998 και 2017). Τα έτη επιλέχθηκαν με βάση τις υψηλές και μέτριες ροές που περνούσαν από το φράγμα Sukkur. Το ETa ήταν υψηλότερο στην καλλιέργεια ρυζιού, ενώ ήταν μικρότερο από την καλλιέργεια βαμβακιού για την καλλιέργεια σιταριού, καθώς το ETa εξαρτάται από τον τύπο της καλλιέργειας, διότι ορισμένες καλλιέργειες χρειάζονται περισσότερο νερό από άλλες. Τα αποτελέσματα της μελέτης συνόψισαν ότι η εκτίμηση του πραγματικού ET είναι ζωτικής σημασίας για τη διαχείριση του νερού άρδευσης και των συνθηκών καταπόνησης των καλλιεργειών. Αυτή η χρήση του μοντέλου EEFlux για τη λήψη εικόνων ETrf είναι εφικτή για την επεξεργασία τους με ελάχιστη προσπάθεια. Η μέση CWP της καλλιέργειας σιταριού για την περίοδο 2014–2015 και 2016–2017 ήταν, αντίστοιχα, 1,03 kg/m3 και 1,02 kg/m3, ενώ η CWP αυξήθηκε το έτος 2014–2015 σε σύγκριση με το 2016–2017. Υπάρχει περιορισμός δεδομένων σε τρεις περιφέρειες (Matiyari, Tando Allahyar και Tando Muhammad Khan) σχετικά με την περιοχή καλλιέργειας και την παραγωγή βαμβακιού και ρυζιού το 1998, επομένως, υπολογίστηκε η μέσα CWP βαμβακιού και ρυζιού μόνο για έξι περιοχές. Το 1998, συνολικά, η CWP αυξήθηκε και για τις δύο καλλιέργειες, ωστόσο, το ρύζι έχει απαγορευτεί από την κυβέρνηση της Σίντ στην επαρχία Σιντ λόγω της έλλειψης νερού. Το ρύζι παίρνει περισσότερο νερό από άλλες καλλιέργειες και το εξοικονομημένο νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οικιακούς και βιομηχανικούς σκοπούς. Η CWP επηρεάζεται από γεωργικές πρακτικές που περιλαμβάνουν προετοιμασία γης, μεθόδους σποράς, ποιότητα σπόρων και εδάφους, εφαρμογή νερού και λιπασμάτων και έλεγχο ζιζανίων και παρασίτων. Η προτεινόμενη προσέγγιση είναι αρκετά εφικτή και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διαφορετικές περιοχές με διάφορες καλλιέργειες, ενώ προωθούνται τεχνικές τηλεπισκόπησης για την αποτελεσματική διαχείριση της φυτικής παραγωγής. 

[[category:Υδατικοί Πόροι]]
[[category:Γεωργία]]

Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών χρησιμοποιώντας GIS και τεχνικές τηλεπισκόπησης

2024-02-16T10:57:44Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Estimation of Crop Water Productivity Using GIS and Remote Sensing Techniques''

'''Συγγραφείς: ''' Zenobia Talpur, Arjumand Z. Zaidi, Suhail Ahmed, Tarekegn Dejen Mengistu, Si-Jung Choi, Il-Moon Chung

'''Δημοσιεύθηκε: '''''Sustainability 2023, 15, 11154. https://doi.org/10.3390/su151411154 ''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Γεωργία, υδατικοί πόροι, αρδευτικό σύστημα

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών στην περιοχή της Σινδ '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_G_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Θέση της περιοχής μελέτης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Τύποι και πηγές δεδομένων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' (a) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Rabi, (b) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Kharif , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2014–2015), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2016–2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (2017), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας σιταριού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας βαμβακιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας ρυζιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

Ο αγροτικός τομέας καταναλώνει το 90% του παγκόσμιου νερού, από το οποίο το 40% των καλλιεργειών παράγεται μέσω του συστήματος άρδευσης. Η μη βιώσιμη γεωργία δεν μπορεί να επιτύχει τις διατροφικές απαιτήσεις για τον αυξανόμενο πληθυσμό και ο αγροτικός τομέας αντιμετωπίζει προκλήσεις χαμηλής παραγωγικότητας νερού των καλλιεργειών, έτσι η χρήση του νερού πρέπει να βελτιστοποιηθεί για να παράγει περισσότερα τρόφιμα. Ο αγροτικός τομέας του Πακιστάν συνεισφέρει το 24% της Ακαθάριστης Εγχώριας Παραγωγής και απασχολεί το 45% του συνολικού εργατικού δυναμικού του. Το Πακιστάν έχει δύο κύριες περιόδους καλλιέργειας - Rabi and Kharif. Η καλλιέργεια Kharif εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ποσότητα και την κατανομή των βροχοπτώσεων, ειδικά κατά την περίοδο των μουσώνων. Το σύστημα καναλιών του ποταμού Ινδού υποστηρίζει κυρίως τη γεωργία. Το φράγμα Sukkur είναι το παλαιότερο από αυτά. Πριν από το φράγμα Sukkur, χτίστηκε το κανάλι Rohri μήκους 350 χιλιομέτρων, ένα από τα παλαιότερα κανάλια, το οποίο ποτίζει αγροκτήματα στην αριστερή όχθη του ποταμού Ινδού κάτω από το φράγμα Sukkur και περίπου 2,9 εκατομμύρια στρέμματα γεωργικής γης αντλούν νερό από αυτό σε εννέα περιοχές. Επίσης, ποτίζει εδάφη μέχρι την παράκτια περιοχή της Σινδ για οπωρώνες και περιοχές όπου καλλιεργούνται καλλιέργειες όπως το ζαχαροκάλαμο, το βαμβάκι και το σιτάρι. Η φθίνουσα διαθεσιμότητα νερού στο Πακιστάν είναι ανησυχητική, λόγω της ταχείας αστικοποίησης και εκβιομηχάνισης τα τελευταία πενήντα χρόνια. Εκτός από τον ποταμό Ινδό, άλλοι υδατικοί πόροι στο Πακιστάν είναι τα υπόγεια ύδατα και η βροχόπτωση. Ωστόσο, τα υπόγεια ύδατα εξαντλούνται με τεράστιο ρυθμό λόγω της εκτεταμένης υπερεκμετάλλευσης. Η ανάγκη για άρδευση έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία 20 χρόνια λόγω της επέκτασης της περιοχής καλλιέργειας. Η παροχή νερού ήταν μικρότερη από το 26% των απαιτήσεων σε νερό των καλλιεργειών το καλοκαίρι του 2012, ενώ το χειμώνα, ήταν περίπου 20% πλεόνασμα. Ο ποταμός Ινδός έχει παραγωγικότητα 54%, ενώ η παραγωγικότητα του αρδευτικού συστήματος της Σινδ είναι μόλις 35%. Το κύριο πρόβλημα διαχείρισης του νερού είναι η έλλειψη νερού στις αρχές της περιόδου που ακολουθείται από υπερβολικό νερό με την έναρξη των μουσώνων. Οι αρχές της αποδοτικότητας του νερού βοηθούν στην αξιολόγηση της τρέχουσας παραγωγής και στη διερεύνηση στρατηγικών για την εξοικονόμηση πραγματικού νερού από τα χωράφια στις λεκάνες απορροής. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι η ιδέα να αξιοποιήσετε στο έπακρο τις καλλιέργειες, τα ζώα και άλλα πράγματα, ενώ χρησιμοποιείτε τη λιγότερη δυνατή ποσότητα νερού. Τα δεδομένα σχετικά με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται από τις καλλιέργειες πρέπει να λαμβάνονται ως προαπαιτούμενο πριν από τη χρήση αυτής της στρατηγικής. Η χρήση τιμών εξατμισοδιαπνοής (ET) για την επίλυση απλών εξισώσεων για τον προσδιορισμό της ποσότητας του νερού που καταναλώνεται μπορεί, επομένως, να είναι μια λύση σε αυτό το χρονικά περιορισμένο πρόβλημα. Οι πραγματικές μετρήσεις εξατμισοδιαπνοής (ETa) λαμβάνονται από δορυφορικές φωτογραφίες για επεξεργασία. Αυτή η μελέτη αναλύει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) και τη παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών σιταριού, ρυζιού και βαμβακιού σε εννέα περιοχές της Σινδ εντός της περιοχής διοίκησης του Καναλιού Rohri και θα βοηθήσει στον εντοπισμό περιοχών υψηλών γεωργικών επιδόσεων και θα παρέχει πληροφορίες για τη διαχείριση του συστήματος άρδευσης, οδηγώντας σε βιώσιμη παραγωγικότητα του νερού. Η τηλεπισκόπηση παρέχει μεγάλης κλίμακας δεδομένα εξατμισοδιαπνοής. Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε μια ισχυρή πύλη δεδομένων που βασίζεται στην τηλεπισκόπηση — ροή εξατμισοδιαπνοής του Google Earth Engine (EEFlux) που βασίζεται στη «Χαρτογράφηση εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερική βαθμονόμηση (METRIC)». Αυτός ο ιστότοπος δεδομένων έχει μεγάλες δυνατότητες εκτίμησης του ETa. Το METRIC είναι μια τροποποιημένη έκδοση του «Αλγόριθμου Επιφανειακής Εξισορρόπησης Ενέργειας για Γη (SEBAL), που χρησιμοποιείται στις μέρες μας για τη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής. Το METRIC απαιτεί χειροκίνητες επιλογές εικονοστοιχείων, επομένως έχουν αναπτυχθεί μοντέλα αυτόματης βαθμονόμησης λόγω αβεβαιότητας που μπορεί να προκύψει κατά τη βαθμονόμησή του με διαφορετικούς χρήστες. Τα αυτόματα μοντέλα απαιτούν επίσης τεράστια προεπεξεργασία, όπως η συναρμολόγηση διαφόρων στρωμάτων, το τοπικό κλίμα, τα δορυφορικά δεδομένα, οι χρήσεις γης/κάλυψη, οι χάρτες εδάφους και η εισαγωγή δεδομένων. Το EEFlux όχι μόνο παρέχει έναν αυτόματο μηχανισμό εισαγωγής δεδομένων, αλλά συνδέεται επίσης με το Google Earth Engine (GEE) με τον αλγόριθμο METRIC και παρέχει χάρτες για το Landsat 5, 7, ή 8. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν εικόνες Landsat 5 και 8. 

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Περιγραφή της Περιοχής Μελέτης '''

Το κανάλι Rohri είναι ένα κύριο συστατικό του γεωργικού τομέα στη Σινδ και είναι ένα τεχνητό κανάλι χτισμένο στο φράγμα Sukkur με 2,6 εκατομμύρια στρέμματα για άρδευση. Η περιοχή διοίκησης του καναλιού Rohri καλύπτει και παρέχει νερό σε μεγάλα τμήματα των εννέα περιοχών της Σινδ και βρίσκεται σε θερμό κλίμα με ετήσια βροχόπτωση που δεν υπερβαίνει τα 200 mm και ελάχιστη θερμοκρασία 18 ◦C. Οι κύριες καλλιέργειες που παράγονται σε αυτές τις περιοχές είναι το βαμβάκι και το σιτάρι. Το ρύζι καλλιεργείται επίσης σε αυτήν την περιοχή, αλλά δεν συγκαταλέγεται στις κύριες καλλιέργειες. 

''' 2.2. Μεθοδολογία '''

Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών ορίζεται ως η αναλογία της απόδοσης της καλλιέργειας διαιρούμενη με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται για την παραγωγή της και υπολογίστηκε για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι για τη περίοδο Kharif (1998 και 2017) και Rabi (2014–2015 και 2016–2017). Μετρήθηκε σε kg/m3 και οι χρήσεις του νερού των καλλιεργειών, ή ETa, υπολογίζονται από δεδομένα τηλεπισκόπησης. Χρησιμοποιώντας δορυφορικά δεδομένα, η χρήση του νερού των καλλιεργειών μπορεί να μετρηθεί σε μεγαλύτερες χρονικές και χωρικές κλίμακες. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως η άρδευση, η γονιμότητα του εδάφους, ο έλεγχος παρασίτων και ασθενειών και συχνά αυξάνεται από οποιονδήποτε διαχειριστικό παράγοντα που βελτιώνει την παραγωγή των καλλιεργειών, καθώς η εξατμισοδιαπνοή είναι συνήθως λιγότερο αντιδραστική στις αλλαγές αυτών των παραγόντων από την απόδοση. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι απαραίτητη για την κατανόηση της σχέσης μεταξύ νερού και τροφής και οι τιμές της για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι εκτιμήθηκαν χρησιμοποιώντας την εξίσωση (1): 

<center> ''' CWP = y (Yield) /ETa , (1) ''' </center>

όπου, η CWP είναι η Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών (kg/m3 ), το y αντιπροσωπεύει την απόδοση (kg/m2 ), το ETa είναι η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (m3/ha1). Για αυτήν τη μελέτη, η αρδευόμενη περιοχή και οι αποδόσεις σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού ελήφθησαν από το τμήμα υπηρεσιών αναφοράς καλλιεργειών στο Χαϊντεραμπάντ. 

''' 2.3. Σύνολα δεδομένων '''

''' 2.3.1. Δεδομένα καλλιεργειών '''

Τα δεδομένα για τις καλλιέργειες ελήφθησαν από τη στατιστική έκθεση της Σινδ και το τμήμα γεωργίας.

''' 2.3.2. Crop Masks '''

Crop Masks μπορεί να οριστεί ως η χωρική πληροφορία της κατανομής των διαφόρων καλλιεργειών. Crop Masks για το σιτάρι (2013–2014), το βαμβάκι και το ρύζι (2014–2015) αναπτύχθηκαν από τον Οργανισμό Τροφίμων και Γεωργίας και το Υπουργείο Γεωργίας των Ηνωμένων Πολιτειών ως μέρος του έργου «Γεωργικό Πληροφοριακό Σύστημα - Δημιουργία επαρχιακής ικανότητας στο Πακιστάν για την εκτίμηση, την πρόβλεψη και την αναφορά των καλλιεργειών με βάση την ολοκληρωμένη χρήση των δεδομένων τηλεπισκόπησης». Οι δορυφορικές εικόνες SPOT-5 έχουν χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή αυτών των Crop Masks. 

''' 2.3.3. Εξατμισοδιαπνοή Αναφοράς'''

Για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr), υποθέσαμε ότι η γη ήταν καλυμμένη με γρασίδι και υπολογίσαμε την εξατμισοδιαπνοή από αυτό το γρασίδι. Για τη λεκάνη του Ινδού, σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιούνται τιμές εξατμισοδιαπνοής αναφοράς χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Penman–Monteith.

''' 2.3.4. Δεδομένα Τηλεπισκόπησης '''

Οι εικόνες Landsat λαμβάνονται από την πύλη Earth Engine Evapotranspiration Flux (EEFlux), η οποία παρέχει επεξεργασμένες εικόνες Landsat 5 και 8. Βασίζεται στη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερικοποιημένη βαθμονόμηση και η διαδικασία που βασίζεται στην εικόνα Landsat λειτουργεί στο σύστημα Google Earth Engine. Η χρονική ανάλυση είναι 16 ημέρες με χωρική ανάλυση 30 m. Χρησιμοποιώντας την εξίσωση Penman-Monteith, το EEFlux περιλαμβάνει σύστημα αφομοίωσης δεδομένων γης της Βόρειας Αμερικής για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr). Τα έτη 1998, 2017, 2014–2015 και 2016–2017 επιλέχθηκαν με βάση τις χαμηλές και υψηλές ροές που προέκυψαν από τα δεδομένα ροής χρησιμοποιώντας την ανάλυση συχνότητας. 

''' 2.3.5. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Το EEFlux παρέχει βαθμονομημένες εικόνες που αποδίδουν μια τιμή εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr) σε κάθε εικονοστοιχείο και η τιμή της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) ανά ημέρα υπολογίστηκε πολλαπλασιάζοντας την ETr και την πιθανή εξατμισοδιαπνοή ETo. Εικόνες Landsat εξήγαγαν την ETr από τις καλλιέργειες σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού. Οι ημερομηνίες αναφοράς του παράγοντα εξατμισοδιαπνοής (ETrf) επιλέχθηκαν από τα Πρότυπα του Τμήματος Άρδευσης της Σινδ και από τη χρονική περίοδο των σταδίων ανάπτυξης της καλλιέργειας από την αρχική έως την ωριμότητα. Ωστόσο, κάθε καλλιέργεια έχει διαφορετικές χρονικές περιόδους ανάπτυξης. Η ETa θεωρείται ως κατάλοιπο του ενεργειακού ισοζυγίου της επιφάνειας. Δίνεται στην Εξίσωση (2).

<center> ''' LE = Rn − H − G, (2) ''' </center>

όπου, LE είναι η λανθάνουσα ροή θερμότητας, Rn είναι καθαρή ακτινοβολία, G είναι ροή θερμότητας του εδάφους και H είναι αισθητή ροή θερμότητας. Ο ETrF (συντελεστής εξατμισοδιαπνοής αναφοράς) υπολογίστηκε με την Εξίσωση (3) και η σωρευτική ETa για κάθε εποχή υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας την Εξίσωση (4) για διαφορετικές φάσεις ανάπτυξης της καλλιέργειας, συμπεριλαμβανομένων των σταδίων αρχικής, ανάπτυξης, ανθοφορίας και ωριμότητας. 

<center> ''' ETrF = ETa/ETr(Re f erence ET) , (3) ''' </center>

<center> ''' ETseason = ETrFseasonΣ n q ETr−24, (4) ''' </center>

όπου, το ETrf αντιπροσωπεύει το ET αναφοράς για μια συγκεκριμένη περίοδο σταδίου ανάπτυξης. Το ETr−24 είναι ένα ημερήσιο ET αναφοράς για συγκεκριμένο αριθμό ημερών. Το n υποδηλώνει αριθμό ημερών. Τιμές ETr της απαιτούμενης περιοχής εντολής καναλιού. 

''' 2.4. Ημερολόγια καλλιεργειών '''

Το ημερολόγιο καλλιεργειών διαφέρει για διαφορετικές περιοχές αλλά και από καλλιέργεια σε καλλιέργεια, όπως το σιτάρι που καλλιεργείται στο Rabi και το βαμβάκι που καλλιεργείται στο Kharif. Για τον υπολογισμό της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) χρησιμοποιήθηκαν ημερολόγια καλλιέργειας για τις μεσαίες και κατώτερες περιοχές της Σίντ. Οι ημερομηνίες για το μεσαίο και το κάτω μέρος είναι διαφορετικές για τη σπορά και τη συγκομιδή. Το αρχικό στάδιο σποράς στην κάτω Σίντ ξεκινά ένα μήνα νωρίτερα από τη μεσαία Σίντ. Η καλλιέργεια σιταριού της εποχής Rabi ξεκινά τον Οκτώβριο και τον Νοέμβριο, αντίστοιχα, στα κάτω και στα ανώτερα τμήματα της επαρχίας. Αντίθετα, οι καλλιέργειες βαμβακιού και ρυζιού καλλιεργούνται την περίοδο Kharif από τον Απρίλιο. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΕΙΣ '''

''' 3.1. Το ποτάμι ρέει '''

Αξιολογήθηκαν οι ετήσιες εποχιακές ροές. Το εκατοστημόριο υπολογίζεται από αυτό το διάγραμμα ροής, το οποίο ρέει από το φράγμα Sukkur. Τα δεδομένα N Μέγιστης Ετήσιας Απόρριψης παρατίθενται στον παρακάτω πίνακα (για τη μεγαλύτερη κατάταξη ροής M = 1 και τη μικρότερη κατάταξη ροής M = n ή 21 σε αυτήν τη μελέτη). Ωστόσο, η εξίσωση (4α) δείχνει το μέσο διάστημα δύο εκφορτίσεων ίσου (ή μεγαλύτερου) μεγέθους σε χρόνια μεταξύ των εμφανίσεων που είναι γνωστό ως Διάστημα Υποτροπής (RI). 

<center> ''' RI = (Ν + 1)/Μ , (4α) ''' </center>

όπου, RI = Διάστημα υποτροπής, N = Μέγιστη Ετήσια Απόρριψη, Μ = Κατάταξη. Η εξίσωση (4β) μπορεί να ορίσει μια πιθανότητα ενός δεδομένου μεγέθους μιας πλημμύρας κάθε χρόνο.

<center> ''' P = (1/RI)× 100 , (4β) ''' </center>

Η εικόνα 3α δείχνει τα έτη και τις ροές της σεζόν Rabi από το 1998–1999 έως το 2018–2019 του Sukkur Barrage, ενώ οι τάξεις κατανεμήθηκαν και ταξινομήθηκαν σύμφωνα με τις ροές όπως υψηλή, μεσαία και χαμηλή. Η πιθανότητα υπέρβασης (P) έχει υπολογιστεί για την εποχή Rabi κατά την οποία καλλιεργούνται οι καλλιέργειες σιταριού. Υπήρξε υψηλή ροή το 2014–2015 και η μέση ροή καταγράφηκε το 2003–2004. Το έτος 2016-2017 θεωρήθηκε μέσης ροής και το 2001 το 2002 με την τελευταία κατάταξη, που θεωρήθηκε έτος χαμηλής ροής. Η εικόνα 3b παρουσιάζει την ανάλυση συχνότητας των ροών της εποχής Kharif από το 1998 έως το 2017 του φράγματος Sukkur. Οι ροές κατηγοριοποιήθηκαν ως υψηλές, μεσαίες και χαμηλές. Το 2010 Kharif το υγρό έτος λόγω της πλημμύρας του ποταμού, που προκαλεί ζημιές στη Σίντ. Ως εκ τούτου, το 1998 επιλέχθηκε ως το έτος υψηλής ροής (επόμενο υψηλότερο μετά το 2010). Το έτος μέσης ροής ήταν το 2017 και το έτος χαμηλής ροής ήταν το 2004. Σε αυτή τη μελέτη αναλύθηκαν καλλιέργειες ρυζιού και βαμβακιού που καλλιεργήθηκαν την περίοδο Kharif. 

''' 3.2. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Υπολογίστηκε η πραγματική μηνιαία εξατμισοδιαπνοή, η οποία υπολογίζει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας (CWP). Μπορεί να παρατηρηθεί ότι το αρχικό στάδιο έχει το χαμηλότερο ETa, ενώ το στάδιο της ανθοφορίας έχει την υψηλότερη εξατμισοδιαπνοή αφού σε αυτό το στάδιο απαιτείται περισσότερο νερό για την ανάπτυξη των φυτών.

''' 3.2.1. Καλλιέργεια Σιταριού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή έχει υπολογιστεί χρησιμοποιώντας μάσκες καλλιέργειας για τα τέσσερα στάδια: αρχικό, ανάπτυξη της καλλιέργειας, ανθοφορία και ωριμότητα. Η εικόνα 4α απεικονίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της εποχής Rabi της καλλιέργειας σίτου, που υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας το ETrf και το ETr. Το ETa είναι χαμηλό στο αρχικό στάδιο, καθώς είναι το στάδιο της σποράς, ενώ το ETa ήταν υψηλότερο στο στάδιο της ανθοφορίας (2014–2015). Η εικόνα 4β δείχνει την τιμή ETa για την περίοδο 2016–2017, χαμηλότερη από την τιμή για την περίοδο 2014–2015.

''' 3.2.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) ήταν περισσότερο για την καλλιέργεια βαμβακιού παρά για το σιτάρι. Η Εικόνα 5a παρουσιάζει την ETa για την καλλιέργεια βαμβακιού της περιόδου Kharif του 1998 όταν η ροή ήταν υψηλή και η Εικόνα 5β δείχνει την υψηλότερη τιμή ETa για το 2017, υψηλότερη από το 1998. Το 2017 οι ροές ήταν κανονικές/μέτριες. Αυτό δείχνει ότι οι υψηλότερες ροές δεν συνδέονται απαραίτητα με υψηλότερες τιμές ETa. 

''' 3.2.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η εικόνα 6α απεικονίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας ρυζιού το 1998, την υψηλότερη μεταξύ άλλων καλλιεργειών όπως το σιτάρι και το βαμβάκι, καθώς το ρύζι καταναλώνει περισσότερο νερό. Ωστόσο, το ρύζι δεν είναι η κύρια καλλιέργεια της Σίντ. Η εικόνα 6β παρουσιάζει το ETa του Hyderabad, του Badin και του Matiyari για το 2017. Η καλλιέργεια ρυζιού καλλιεργείται στις συνοικίες της Σίντ, ωστόσο, απαγορεύεται στην Κάτω Σίντ λόγω λειψυδρίας. 

''' 3.3. Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών Κύριων Καλλιεργειών '''

''' 3.3.1. Καλλιέργεια Σιταριού (2014-2015 και 2016-2017) '''

Η μέση παγκόσμια CWP σιταριού είναι 0,86 kg/m3 έως 1,80 kg/m3. Υπάρχουν τρεις παγκόσμιες κατηγορίες για CWP σίτου: χαμηλή (<= 0,75 kg/m3), μεσαία (> 0,75 kg/m3 έως < 1,10 kg/m3) και υψηλή (>= 1,10 kg/m3). Για το Πακιστάν, η μέση CWP είναι 0,80 kg/m3 έως 0,91 kg/m3, η οποία εμπίπτει στη μεσαία κατηγορία. Υπήρξε υψηλότερη ροή το 2014-2015, ενώ το 2016-2017 ήταν μέτρια. Η μέση CWP για την καλλιέργεια σίτου ήταν 1,03 kg/m3 σε 2014–2015 και 1,02 kg/m3 το 2016-2017. Συνολικά, η CWP της καλλιέργειας σιταριού είναι κάτω από το αναφερόμενο εύρος, δηλαδή μεταξύ 0,32 kg/m3 έως 1,08 kg/m3. Λόγω της υπερχείλισης, της αλατότητας, των συνθηκών του εδάφους και της έλλειψης διαθεσιμότητας υπόγειων υδάτων, το CWP της Σινδ είναι μικρότερη από το Παντζάμπ. Η απόδοση σιταριού της Σινδ είναι 33% μικρότερη από την απόδοση σιταριού του Παντζάμπ.

''' 3.3.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η Εικόνα 8 αντιπροσωπεύει το CWP του βαμβακιού για την εποχή Kharif (1998 και 2017). Για τα έτη αυτά, οι τιμές CWP της καλλιέργειας βαμβακιού ήταν σταθερές. Οι μέσες CWP της περιοχής μελέτης των καλλιεργειών βαμβακιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,12 kg/m3 και 0,16 kg/m3,αντίστοιχα. Οι μέσες τιμές CWP για το βαμβάκι ήταν 0,22 kg/m3 και 0,26 kg/m3. Η χαμηλότερη CWP του Badin οφείλεται στην κακή ποιότητα της εικόνας, έτσι, έγινε δύσκολος ο υπολογισμός της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής και εφαρμόστηκαν διορθώσεις στο σύννεφο όπου η κάλυψη του νέφους ήταν περίπου 50%. 

''' 3.3.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η Εικόνα 9 δείχνει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας του ρυζιού που καλλιεργείται στην περιοχή μελέτης. Οι περισσότερες από τις καλλιέργειες που επιλέχθηκαν σε αυτή τη μελέτη είναι κύριες καλλιέργειες, εκτός από το ρύζι. Το ρύζι είναι μια από τις άλλες καλλιέργειες που η κυβέρνηση της Σινδ απαγόρευσε λόγω της έλλειψης νερού,ωστόσο, το ρύζι καλλιεργήθηκε το 1998 σε όλη τη Σινδ. Συνολικά, οι μέσες τιμές CWP ρυζιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,32 kg/m3 και 0,54 kg/m3, αντίστοιχα. Δεδομένου ότι το ρύζι δεν απαγορεύτηκε το 1998 στην περιοχή μελέτης, το νερό για άλλες καλλιέργειες χρησιμοποιήθηκε για το ρύζι. Οι άλλες καλλιέργειες πήραν αρκετό νερό μετά τη διακοπή της καλλιέργειας ρυζιού.

''' 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Αυτή η μελέτη υπολόγισε την παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών (CWP) του σιταριού, του βαμβακιού και του ρυζιού του Καναλιού Rohri, χρησιμοποιώντας δεδομένα τηλεπισκόπησης στο περιβάλλον GIS. Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή υπολογίστηκε για τις εννέα περιοχές για δύο εποχές Rabi (2014 -2015 και 2016–2017) και δύο εποχές Kharif (1998 και 2017). Τα έτη επιλέχθηκαν με βάση τις υψηλές και μέτριες ροές που περνούσαν από το φράγμα Sukkur. Το ETa ήταν υψηλότερο στην καλλιέργεια ρυζιού, ενώ ήταν μικρότερο από την καλλιέργεια βαμβακιού για την καλλιέργεια σιταριού, καθώς το ETa εξαρτάται από τον τύπο της καλλιέργειας, διότι ορισμένες καλλιέργειες χρειάζονται περισσότερο νερό από άλλες. Τα αποτελέσματα της μελέτης συνόψισαν ότι η εκτίμηση του πραγματικού ET είναι ζωτικής σημασίας για τη διαχείριση του νερού άρδευσης και των συνθηκών καταπόνησης των καλλιεργειών. Αυτή η χρήση του μοντέλου EEFlux για τη λήψη εικόνων ETrf είναι εφικτή για την επεξεργασία τους με ελάχιστη προσπάθεια. Η μέση CWP της καλλιέργειας σιταριού για την περίοδο 2014–2015 και 2016–2017 ήταν, αντίστοιχα, 1,03 kg/m3 και 1,02 kg/m3, ενώ η CWP αυξήθηκε το έτος 2014–2015 σε σύγκριση με το 2016–2017. Υπάρχει περιορισμός δεδομένων σε τρεις περιφέρειες (Matiyari, Tando Allahyar και Tando Muhammad Khan) σχετικά με την περιοχή καλλιέργειας και την παραγωγή βαμβακιού και ρυζιού το 1998, επομένως, υπολογίστηκε η μέσα CWP βαμβακιού και ρυζιού μόνο για έξι περιοχές. Το 1998, συνολικά, η CWP αυξήθηκε και για τις δύο καλλιέργειες, ωστόσο, το ρύζι έχει απαγορευτεί από την κυβέρνηση της Σίντ στην επαρχία Σιντ λόγω της έλλειψης νερού. Το ρύζι παίρνει περισσότερο νερό από άλλες καλλιέργειες και το εξοικονομημένο νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οικιακούς και βιομηχανικούς σκοπούς. Η CWP επηρεάζεται από γεωργικές πρακτικές που περιλαμβάνουν προετοιμασία γης, μεθόδους σποράς, ποιότητα σπόρων και εδάφους, εφαρμογή νερού και λιπασμάτων και έλεγχο ζιζανίων και παρασίτων. Η προτεινόμενη προσέγγιση είναι αρκετά εφικτή και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διαφορετικές περιοχές με διάφορες καλλιέργειες, ενώ προωθούνται τεχνικές τηλεπισκόπησης για την αποτελεσματική διαχείριση της φυτικής παραγωγής. 

[[category:Υδατικοί Πόροι]]
[[category:Γεωργία]]

Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών χρησιμοποιώντας GIS και τεχνικές τηλεπισκόπησης

2024-02-16T10:55:02Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Estimation of Crop Water Productivity Using GIS and Remote Sensing Techniques''

'''Συγγραφείς: ''' Zenobia Talpur, Arjumand Z. Zaidi, Suhail Ahmed, Tarekegn Dejen Mengistu, Si-Jung Choi, Il-Moon Chung

'''Δημοσιεύθηκε: '''''Sustainability 2023, 15, 11154. https://doi.org/10.3390/su151411154 ''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Γεωργία, υδατικοί πόροι, αρδευτικό σύστημα

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών στην περιοχή της Σινδ '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_G_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Θέση της περιοχής μελέτης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Τύποι και πηγές δεδομένων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' (a) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Rabi, (b) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Kharif , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2014–2015), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2016–2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (2017), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας σιταριού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας βαμβακιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας ρυζιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

Ο αγροτικός τομέας καταναλώνει το 90% του παγκόσμιου νερού, από το οποίο το 40% των καλλιεργειών παράγεται μέσω του συστήματος άρδευσης. Η μη βιώσιμη γεωργία δεν μπορεί να επιτύχει τις διατροφικές απαιτήσεις για τον αυξανόμενο πληθυσμό και ο αγροτικός τομέας αντιμετωπίζει προκλήσεις χαμηλής παραγωγικότητας νερού των καλλιεργειών, έτσι η χρήση του νερού πρέπει να βελτιστοποιηθεί για να παράγει περισσότερα τρόφιμα. Ο αγροτικός τομέας του Πακιστάν συνεισφέρει το 24% της Ακαθάριστης Εγχώριας Παραγωγής και απασχολεί το 45% του συνολικού εργατικού δυναμικού του. Το Πακιστάν έχει δύο κύριες περιόδους καλλιέργειας - Rabi and Kharif. Η καλλιέργεια Kharif εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ποσότητα και την κατανομή των βροχοπτώσεων, ειδικά κατά την περίοδο των μουσώνων. Το σύστημα καναλιών του ποταμού Ινδού υποστηρίζει κυρίως τη γεωργία. Το φράγμα Sukkur είναι το παλαιότερο από αυτά. Πριν από το φράγμα Sukkur, χτίστηκε το κανάλι Rohri μήκους 350 χιλιομέτρων, ένα από τα παλαιότερα κανάλια, το οποίο ποτίζει αγροκτήματα στην αριστερή όχθη του ποταμού Ινδού κάτω από το φράγμα Sukkur και περίπου 2,9 εκατομμύρια στρέμματα γεωργικής γης αντλούν νερό από αυτό σε εννέα περιοχές. Επίσης, ποτίζει εδάφη μέχρι την παράκτια περιοχή της Σινδ για οπωρώνες και περιοχές όπου καλλιεργούνται καλλιέργειες όπως το ζαχαροκάλαμο, το βαμβάκι και το σιτάρι. Η φθίνουσα διαθεσιμότητα νερού στο Πακιστάν είναι ανησυχητική, λόγω της ταχείας αστικοποίησης και εκβιομηχάνισης τα τελευταία πενήντα χρόνια. Εκτός από τον ποταμό Ινδό, άλλοι υδατικοί πόροι στο Πακιστάν είναι τα υπόγεια ύδατα και η βροχόπτωση. Ωστόσο, τα υπόγεια ύδατα εξαντλούνται με τεράστιο ρυθμό λόγω της εκτεταμένης υπερεκμετάλλευσης. Η ανάγκη για άρδευση έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία 20 χρόνια λόγω της επέκτασης της περιοχής καλλιέργειας. Η παροχή νερού ήταν μικρότερη από το 26% των απαιτήσεων σε νερό των καλλιεργειών το καλοκαίρι του 2012, ενώ το χειμώνα, ήταν περίπου 20% πλεόνασμα. Ο ποταμός Ινδός έχει παραγωγικότητα 54%, ενώ η παραγωγικότητα του αρδευτικού συστήματος της Σινδ είναι μόλις 35%. Το κύριο πρόβλημα διαχείρισης του νερού είναι η έλλειψη νερού στις αρχές της περιόδου που ακολουθείται από υπερβολικό νερό με την έναρξη των μουσώνων. Οι αρχές της αποδοτικότητας του νερού βοηθούν στην αξιολόγηση της τρέχουσας παραγωγής και στη διερεύνηση στρατηγικών για την εξοικονόμηση πραγματικού νερού από τα χωράφια στις λεκάνες απορροής. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι η ιδέα να αξιοποιήσετε στο έπακρο τις καλλιέργειες, τα ζώα και άλλα πράγματα, ενώ χρησιμοποιείτε τη λιγότερη δυνατή ποσότητα νερού. Τα δεδομένα σχετικά με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται από τις καλλιέργειες πρέπει να λαμβάνονται ως προαπαιτούμενο πριν από τη χρήση αυτής της στρατηγικής. Η χρήση τιμών εξατμισοδιαπνοής (ET) για την επίλυση απλών εξισώσεων για τον προσδιορισμό της ποσότητας του νερού που καταναλώνεται μπορεί, επομένως, να είναι μια λύση σε αυτό το χρονικά περιορισμένο πρόβλημα. Οι πραγματικές μετρήσεις εξατμισοδιαπνοής (ETa) λαμβάνονται από δορυφορικές φωτογραφίες για επεξεργασία. Αυτή η μελέτη αναλύει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) και τη παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών σιταριού, ρυζιού και βαμβακιού σε εννέα περιοχές της Σινδ εντός της περιοχής διοίκησης του Καναλιού Rohri και θα βοηθήσει στον εντοπισμό περιοχών υψηλών γεωργικών επιδόσεων και θα παρέχει πληροφορίες για τη διαχείριση του συστήματος άρδευσης, οδηγώντας σε βιώσιμη παραγωγικότητα του νερού. Η τηλεπισκόπηση παρέχει μεγάλης κλίμακας δεδομένα εξατμισοδιαπνοής. Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε μια ισχυρή πύλη δεδομένων που βασίζεται στην τηλεπισκόπηση — ροή εξατμισοδιαπνοής του Google Earth Engine (EEFlux) που βασίζεται στη «Χαρτογράφηση εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερική βαθμονόμηση (METRIC)». Αυτός ο ιστότοπος δεδομένων έχει μεγάλες δυνατότητες εκτίμησης του ETa. Το METRIC είναι μια τροποποιημένη έκδοση του «Αλγόριθμου Επιφανειακής Εξισορρόπησης Ενέργειας για Γη (SEBAL), που χρησιμοποιείται στις μέρες μας για τη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής. Το METRIC απαιτεί χειροκίνητες επιλογές εικονοστοιχείων, επομένως έχουν αναπτυχθεί μοντέλα αυτόματης βαθμονόμησης λόγω αβεβαιότητας που μπορεί να προκύψει κατά τη βαθμονόμησή του με διαφορετικούς χρήστες. Τα αυτόματα μοντέλα απαιτούν επίσης τεράστια προεπεξεργασία, όπως η συναρμολόγηση διαφόρων στρωμάτων, το τοπικό κλίμα, τα δορυφορικά δεδομένα, οι χρήσεις γης/κάλυψη, οι χάρτες εδάφους και η εισαγωγή δεδομένων. Το EEFlux όχι μόνο παρέχει έναν αυτόματο μηχανισμό εισαγωγής δεδομένων, αλλά συνδέεται επίσης με το Google Earth Engine (GEE) με τον αλγόριθμο METRIC και παρέχει χάρτες για το Landsat 5, 7, ή 8. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν εικόνες Landsat 5 και 8. 

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Περιγραφή της Περιοχής Μελέτης '''

Το κανάλι Rohri είναι ένα κύριο συστατικό του γεωργικού τομέα στη Σινδ και είναι ένα τεχνητό κανάλι χτισμένο στο φράγμα Sukkur με 2,6 εκατομμύρια στρέμματα για άρδευση. Η περιοχή διοίκησης του καναλιού Rohri καλύπτει και παρέχει νερό σε μεγάλα τμήματα των εννέα περιοχών της Σινδ και βρίσκεται σε θερμό κλίμα με ετήσια βροχόπτωση που δεν υπερβαίνει τα 200 mm και ελάχιστη θερμοκρασία 18 ◦C. Οι κύριες καλλιέργειες που παράγονται σε αυτές τις περιοχές είναι το βαμβάκι και το σιτάρι. Το ρύζι καλλιεργείται επίσης σε αυτήν την περιοχή, αλλά δεν συγκαταλέγεται στις κύριες καλλιέργειες. 

''' 2.2. Μεθοδολογία '''

Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών ορίζεται ως η αναλογία της απόδοσης της καλλιέργειας διαιρούμενη με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται για την παραγωγή της και υπολογίστηκε για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι για τη περίοδο Kharif (1998 και 2017) και Rabi (2014–2015 και 2016–2017). Μετρήθηκε σε kg/m3 και οι χρήσεις του νερού των καλλιεργειών, ή ETa, υπολογίζονται από δεδομένα τηλεπισκόπησης. Χρησιμοποιώντας δορυφορικά δεδομένα, η χρήση του νερού των καλλιεργειών μπορεί να μετρηθεί σε μεγαλύτερες χρονικές και χωρικές κλίμακες. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως η άρδευση, η γονιμότητα του εδάφους, ο έλεγχος παρασίτων και ασθενειών και συχνά αυξάνεται από οποιονδήποτε διαχειριστικό παράγοντα που βελτιώνει την παραγωγή των καλλιεργειών, καθώς η εξατμισοδιαπνοή είναι συνήθως λιγότερο αντιδραστική στις αλλαγές αυτών των παραγόντων από την απόδοση. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι απαραίτητη για την κατανόηση της σχέσης μεταξύ νερού και τροφής και οι τιμές της για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι εκτιμήθηκαν χρησιμοποιώντας την εξίσωση (1): 

<center> ''' CWP = y (Yield) /ETa , (1) ''' </center>

όπου, η CWP είναι η Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών (kg/m3 ), το y αντιπροσωπεύει την απόδοση (kg/m2 ), το ETa είναι η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (m3/ha1). Για αυτήν τη μελέτη, η αρδευόμενη περιοχή και οι αποδόσεις σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού ελήφθησαν από το τμήμα υπηρεσιών αναφοράς καλλιεργειών στο Χαϊντεραμπάντ. 

''' 2.3. Σύνολα δεδομένων '''

''' 2.3.1. Δεδομένα καλλιεργειών '''

Τα δεδομένα για τις καλλιέργειες ελήφθησαν από τη στατιστική έκθεση της Σινδ και το τμήμα γεωργίας.

''' 2.3.2. Crop Masks '''

Crop Masks μπορεί να οριστεί ως η χωρική πληροφορία της κατανομής των διαφόρων καλλιεργειών. Crop Masks για το σιτάρι (2013–2014), το βαμβάκι και το ρύζι (2014–2015) αναπτύχθηκαν από τον Οργανισμό Τροφίμων και Γεωργίας και το Υπουργείο Γεωργίας των Ηνωμένων Πολιτειών ως μέρος του έργου «Γεωργικό Πληροφοριακό Σύστημα - Δημιουργία επαρχιακής ικανότητας στο Πακιστάν για την εκτίμηση, την πρόβλεψη και την αναφορά των καλλιεργειών με βάση την ολοκληρωμένη χρήση των δεδομένων τηλεπισκόπησης». Οι δορυφορικές εικόνες SPOT-5 έχουν χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή αυτών των Crop Masks. 

''' 2.3.3. Εξατμισοδιαπνοή Αναφοράς'''

Για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr), υποθέσαμε ότι η γη ήταν καλυμμένη με γρασίδι και υπολογίσαμε την εξατμισοδιαπνοή από αυτό το γρασίδι. Για τη λεκάνη του Ινδού, σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιούνται τιμές εξατμισοδιαπνοής αναφοράς χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Penman–Monteith.

''' 2.3.4. Δεδομένα Τηλεπισκόπησης '''

Οι εικόνες Landsat λαμβάνονται από την πύλη Earth Engine Evapotranspiration Flux (EEFlux), η οποία παρέχει επεξεργασμένες εικόνες Landsat 5 και 8. Βασίζεται στη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερικοποιημένη βαθμονόμηση και η διαδικασία που βασίζεται στην εικόνα Landsat λειτουργεί στο σύστημα Google Earth Engine. Η χρονική ανάλυση είναι 16 ημέρες με χωρική ανάλυση 30 m. Χρησιμοποιώντας την εξίσωση Penman-Monteith, το EEFlux περιλαμβάνει σύστημα αφομοίωσης δεδομένων γης της Βόρειας Αμερικής για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr). Τα έτη 1998, 2017, 2014–2015 και 2016–2017 επιλέχθηκαν με βάση τις χαμηλές και υψηλές ροές που προέκυψαν από τα δεδομένα ροής χρησιμοποιώντας την ανάλυση συχνότητας. 

''' 2.3.5. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Το EEFlux παρέχει βαθμονομημένες εικόνες που αποδίδουν μια τιμή εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr) σε κάθε εικονοστοιχείο και η τιμή της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) ανά ημέρα υπολογίστηκε πολλαπλασιάζοντας την ETr και την πιθανή εξατμισοδιαπνοή ETo. Εικόνες Landsat εξήγαγαν την ETr από τις καλλιέργειες σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού. Οι ημερομηνίες αναφοράς του παράγοντα εξατμισοδιαπνοής (ETrf) επιλέχθηκαν από τα Πρότυπα του Τμήματος Άρδευσης της Σινδ και από τη χρονική περίοδο των σταδίων ανάπτυξης της καλλιέργειας από την αρχική έως την ωριμότητα. Ωστόσο, κάθε καλλιέργεια έχει διαφορετικές χρονικές περιόδους ανάπτυξης. Η ETa θεωρείται ως κατάλοιπο του ενεργειακού ισοζυγίου της επιφάνειας. Δίνεται στην Εξίσωση (2).

<center> ''' LE = Rn − H − G, (2) ''' </center>

όπου, LE είναι η λανθάνουσα ροή θερμότητας, Rn είναι καθαρή ακτινοβολία, G είναι ροή θερμότητας του εδάφους και H είναι αισθητή ροή θερμότητας. Ο ETrF (συντελεστής εξατμισοδιαπνοής αναφοράς) υπολογίστηκε με την Εξίσωση (3) και η σωρευτική ETa για κάθε εποχή υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας την Εξίσωση (4) για διαφορετικές φάσεις ανάπτυξης της καλλιέργειας, συμπεριλαμβανομένων των σταδίων αρχικής, ανάπτυξης, ανθοφορίας και ωριμότητας. 

<center> ''' ETrF = ETa ETr(Re f erence ET) , (3) ''' </center>

<center> ''' ETseason = ETrFseasonΣ n q ETr−24, (4) ''' </center>

όπου, το ETrf αντιπροσωπεύει το ET αναφοράς για μια συγκεκριμένη περίοδο σταδίου ανάπτυξης. Το ETr−24 είναι ένα ημερήσιο ET αναφοράς για συγκεκριμένο αριθμό ημερών. Το n υποδηλώνει αριθμό ημερών. Τιμές ETr της απαιτούμενης περιοχής εντολής καναλιού. 

''' 2.4. Ημερολόγια καλλιεργειών '''

Το ημερολόγιο καλλιεργειών διαφέρει για διαφορετικές περιοχές αλλά και από καλλιέργεια σε καλλιέργεια, όπως το σιτάρι που καλλιεργείται στο Rabi και το βαμβάκι που καλλιεργείται στο Kharif. Για τον υπολογισμό της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) χρησιμοποιήθηκαν ημερολόγια καλλιέργειας για τις μεσαίες και κατώτερες περιοχές της Σίντ. Οι ημερομηνίες για το μεσαίο και το κάτω μέρος είναι διαφορετικές για τη σπορά και τη συγκομιδή. Το αρχικό στάδιο σποράς στην κάτω Σίντ ξεκινά ένα μήνα νωρίτερα από τη μεσαία Σίντ. Η καλλιέργεια σιταριού της εποχής Rabi ξεκινά τον Οκτώβριο και τον Νοέμβριο, αντίστοιχα, στα κάτω και στα ανώτερα τμήματα της επαρχίας. Αντίθετα, οι καλλιέργειες βαμβακιού και ρυζιού καλλιεργούνται την περίοδο Kharif από τον Απρίλιο. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΕΙΣ '''

''' 3.1. Το ποτάμι ρέει '''

Αξιολογήθηκαν οι ετήσιες εποχιακές ροές. Το εκατοστημόριο υπολογίζεται από αυτό το διάγραμμα ροής, το οποίο ρέει από το φράγμα Sukkur. Τα δεδομένα N Μέγιστης Ετήσιας Απόρριψης παρατίθενται στον παρακάτω πίνακα (για τη μεγαλύτερη κατάταξη ροής M = 1 και τη μικρότερη κατάταξη ροής M = n ή 21 σε αυτήν τη μελέτη). Ωστόσο, η εξίσωση (4α) δείχνει το μέσο διάστημα δύο εκφορτίσεων ίσου (ή μεγαλύτερου) μεγέθους σε χρόνια μεταξύ των εμφανίσεων που είναι γνωστό ως Διάστημα Υποτροπής (RI). 

<center> ''' RI = (Ν + 1)/Μ , (4α) ''' </center>

όπου, RI = Διάστημα υποτροπής, N = Μέγιστη Ετήσια Απόρριψη, Μ = Κατάταξη. Η εξίσωση (4β) μπορεί να ορίσει μια πιθανότητα ενός δεδομένου μεγέθους μιας πλημμύρας κάθε χρόνο.

<center> ''' P = (1/RI)× 100 , (4β) ''' </center>

Η εικόνα 3α δείχνει τα έτη και τις ροές της σεζόν Rabi από το 1998–1999 έως το 2018–2019 του Sukkur Barrage, ενώ οι τάξεις κατανεμήθηκαν και ταξινομήθηκαν σύμφωνα με τις ροές όπως υψηλή, μεσαία και χαμηλή. Η πιθανότητα υπέρβασης (P) έχει υπολογιστεί για την εποχή Rabi κατά την οποία καλλιεργούνται οι καλλιέργειες σιταριού. Υπήρξε υψηλή ροή το 2014–2015 και η μέση ροή καταγράφηκε το 2003–2004. Το έτος 2016-2017 θεωρήθηκε μέσης ροής και το 2001 το 2002 με την τελευταία κατάταξη, που θεωρήθηκε έτος χαμηλής ροής. Η εικόνα 3b παρουσιάζει την ανάλυση συχνότητας των ροών της εποχής Kharif από το 1998 έως το 2017 του φράγματος Sukkur. Οι ροές κατηγοριοποιήθηκαν ως υψηλές, μεσαίες και χαμηλές. Το 2010 Kharif το υγρό έτος λόγω της πλημμύρας του ποταμού, που προκαλεί ζημιές στη Σίντ. Ως εκ τούτου, το 1998 επιλέχθηκε ως το έτος υψηλής ροής (επόμενο υψηλότερο μετά το 2010). Το έτος μέσης ροής ήταν το 2017 και το έτος χαμηλής ροής ήταν το 2004. Σε αυτή τη μελέτη αναλύθηκαν καλλιέργειες ρυζιού και βαμβακιού που καλλιεργήθηκαν την περίοδο Kharif. 

''' 3.2. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Υπολογίστηκε η πραγματική μηνιαία εξατμισοδιαπνοή, η οποία υπολογίζει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας (CWP). Μπορεί να παρατηρηθεί ότι το αρχικό στάδιο έχει το χαμηλότερο ETa, ενώ το στάδιο της ανθοφορίας έχει την υψηλότερη εξατμισοδιαπνοή αφού σε αυτό το στάδιο απαιτείται περισσότερο νερό για την ανάπτυξη των φυτών.

''' 3.2.1. Καλλιέργεια Σιταριού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή έχει υπολογιστεί χρησιμοποιώντας μάσκες καλλιέργειας για τα τέσσερα στάδια: αρχικό, ανάπτυξη της καλλιέργειας, ανθοφορία και ωριμότητα. Η εικόνα 4α απεικονίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της εποχής Rabi της καλλιέργειας σίτου, που υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας το ETrf και το ETr. Το ETa είναι χαμηλό στο αρχικό στάδιο, καθώς είναι το στάδιο της σποράς, ενώ το ETa ήταν υψηλότερο στο στάδιο της ανθοφορίας (2014–2015). Η εικόνα 4β δείχνει την τιμή ETa για την περίοδο 2016–2017, χαμηλότερη από την τιμή για την περίοδο 2014–2015.

''' 3.2.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) ήταν περισσότερο για την καλλιέργεια βαμβακιού παρά για το σιτάρι. Η Εικόνα 5a παρουσιάζει την ETa για την καλλιέργεια βαμβακιού της περιόδου Kharif του 1998 όταν η ροή ήταν υψηλή και η Εικόνα 5β δείχνει την υψηλότερη τιμή ETa για το 2017, υψηλότερη από το 1998. Το 2017 οι ροές ήταν κανονικές/μέτριες. Αυτό δείχνει ότι οι υψηλότερες ροές δεν συνδέονται απαραίτητα με υψηλότερες τιμές ETa. 

''' 3.2.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η εικόνα 6α απεικονίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας ρυζιού το 1998, την υψηλότερη μεταξύ άλλων καλλιεργειών όπως το σιτάρι και το βαμβάκι, καθώς το ρύζι καταναλώνει περισσότερο νερό. Ωστόσο, το ρύζι δεν είναι η κύρια καλλιέργεια της Σίντ. Η εικόνα 6β παρουσιάζει το ETa του Hyderabad, του Badin και του Matiyari για το 2017. Η καλλιέργεια ρυζιού καλλιεργείται στις συνοικίες της Σίντ, ωστόσο, απαγορεύεται στην Κάτω Σίντ λόγω λειψυδρίας. 

''' 3.3. Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών Κύριων Καλλιεργειών '''

''' 3.3.1. Καλλιέργεια Σιταριού (2014-2015 και 2016-2017) '''

Η μέση παγκόσμια CWP σιταριού είναι 0,86 kg/m3 έως 1,80 kg/m3. Υπάρχουν τρεις παγκόσμιες κατηγορίες για CWP σίτου: χαμηλή (<= 0,75 kg/m3), μεσαία (> 0,75 kg/m3 έως < 1,10 kg/m3) και υψηλή (>= 1,10 kg/m3). Για το Πακιστάν, η μέση CWP είναι 0,80 kg/m3 έως 0,91 kg/m3, η οποία εμπίπτει στη μεσαία κατηγορία. Υπήρξε υψηλότερη ροή το 2014-2015, ενώ το 2016-2017 ήταν μέτρια. Η μέση CWP για την καλλιέργεια σίτου ήταν 1,03 kg/m3 σε 2014–2015 και 1,02 kg/m3 το 2016-2017. Συνολικά, η CWP της καλλιέργειας σιταριού είναι κάτω από το αναφερόμενο εύρος, δηλαδή μεταξύ 0,32 kg/m3 έως 1,08 kg/m3. Λόγω της υπερχείλισης, της αλατότητας, των συνθηκών του εδάφους και της έλλειψης διαθεσιμότητας υπόγειων υδάτων, το CWP της Σινδ είναι μικρότερη από το Παντζάμπ. Η απόδοση σιταριού της Σινδ είναι 33% μικρότερη από την απόδοση σιταριού του Παντζάμπ.

''' 3.3.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η Εικόνα 8 αντιπροσωπεύει το CWP του βαμβακιού για την εποχή Kharif (1998 και 2017). Για τα έτη αυτά, οι τιμές CWP της καλλιέργειας βαμβακιού ήταν σταθερές. Οι μέσες CWP της περιοχής μελέτης των καλλιεργειών βαμβακιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,12 kg/m3 και 0,16 kg/m3,αντίστοιχα. Οι μέσες τιμές CWP για το βαμβάκι ήταν 0,22 kg/m3 και 0,26 kg/m3. Η χαμηλότερη CWP του Badin οφείλεται στην κακή ποιότητα της εικόνας, έτσι, έγινε δύσκολος ο υπολογισμός της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής και εφαρμόστηκαν διορθώσεις στο σύννεφο όπου η κάλυψη του νέφους ήταν περίπου 50%. 

''' 3.3.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η Εικόνα 9 δείχνει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας του ρυζιού που καλλιεργείται στην περιοχή μελέτης. Οι περισσότερες από τις καλλιέργειες που επιλέχθηκαν σε αυτή τη μελέτη είναι κύριες καλλιέργειες, εκτός από το ρύζι. Το ρύζι είναι μια από τις άλλες καλλιέργειες που η κυβέρνηση της Σινδ απαγόρευσε λόγω της έλλειψης νερού,ωστόσο, το ρύζι καλλιεργήθηκε το 1998 σε όλη τη Σινδ. Συνολικά, οι μέσες τιμές CWP ρυζιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,32 kg/m3 και 0,54 kg/m3, αντίστοιχα. Δεδομένου ότι το ρύζι δεν απαγορεύτηκε το 1998 στην περιοχή μελέτης, το νερό για άλλες καλλιέργειες χρησιμοποιήθηκε για το ρύζι. Οι άλλες καλλιέργειες πήραν αρκετό νερό μετά τη διακοπή της καλλιέργειας ρυζιού.

''' 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Αυτή η μελέτη υπολόγισε την παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών (CWP) του σιταριού, του βαμβακιού και του ρυζιού του Καναλιού Rohri, χρησιμοποιώντας δεδομένα τηλεπισκόπησης στο περιβάλλον GIS. Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή υπολογίστηκε για τις εννέα περιοχές για δύο εποχές Rabi (2014 -2015 και 2016–2017) και δύο εποχές Kharif (1998 και 2017). Τα έτη επιλέχθηκαν με βάση τις υψηλές και μέτριες ροές που περνούσαν από το φράγμα Sukkur. Το ETa ήταν υψηλότερο στην καλλιέργεια ρυζιού, ενώ ήταν μικρότερο από την καλλιέργεια βαμβακιού για την καλλιέργεια σιταριού, καθώς το ETa εξαρτάται από τον τύπο της καλλιέργειας, διότι ορισμένες καλλιέργειες χρειάζονται περισσότερο νερό από άλλες. Τα αποτελέσματα της μελέτης συνόψισαν ότι η εκτίμηση του πραγματικού ET είναι ζωτικής σημασίας για τη διαχείριση του νερού άρδευσης και των συνθηκών καταπόνησης των καλλιεργειών. Αυτή η χρήση του μοντέλου EEFlux για τη λήψη εικόνων ETrf είναι εφικτή για την επεξεργασία τους με ελάχιστη προσπάθεια. Η μέση CWP της καλλιέργειας σιταριού για την περίοδο 2014–2015 και 2016–2017 ήταν, αντίστοιχα, 1,03 kg/m3 και 1,02 kg/m3, ενώ η CWP αυξήθηκε το έτος 2014–2015 σε σύγκριση με το 2016–2017. Υπάρχει περιορισμός δεδομένων σε τρεις περιφέρειες (Matiyari, Tando Allahyar και Tando Muhammad Khan) σχετικά με την περιοχή καλλιέργειας και την παραγωγή βαμβακιού και ρυζιού το 1998, επομένως, υπολογίστηκε η μέσα CWP βαμβακιού και ρυζιού μόνο για έξι περιοχές. Το 1998, συνολικά, η CWP αυξήθηκε και για τις δύο καλλιέργειες, ωστόσο, το ρύζι έχει απαγορευτεί από την κυβέρνηση της Σίντ στην επαρχία Σιντ λόγω της έλλειψης νερού. Το ρύζι παίρνει περισσότερο νερό από άλλες καλλιέργειες και το εξοικονομημένο νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οικιακούς και βιομηχανικούς σκοπούς. Η CWP επηρεάζεται από γεωργικές πρακτικές που περιλαμβάνουν προετοιμασία γης, μεθόδους σποράς, ποιότητα σπόρων και εδάφους, εφαρμογή νερού και λιπασμάτων και έλεγχο ζιζανίων και παρασίτων. Η προτεινόμενη προσέγγιση είναι αρκετά εφικτή και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διαφορετικές περιοχές με διάφορες καλλιέργειες, ενώ προωθούνται τεχνικές τηλεπισκόπησης για την αποτελεσματική διαχείριση της φυτικής παραγωγής. 

[[category:Υδατικοί Πόροι]]
[[category:Γεωργία]]

Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών χρησιμοποιώντας GIS και τεχνικές τηλεπισκόπησης

2024-02-16T10:52:40Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Estimation of Crop Water Productivity Using GIS and Remote Sensing Techniques''

'''Συγγραφείς: ''' Zenobia Talpur, Arjumand Z. Zaidi, Suhail Ahmed, Tarekegn Dejen Mengistu, Si-Jung Choi, Il-Moon Chung

'''Δημοσιεύθηκε: '''''Sustainability 2023, 15, 11154. https://doi.org/10.3390/su151411154 ''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Γεωργία, υδατικοί πόροι, αρδευτικό σύστημα

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών στην περιοχή της Σινδ '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_G_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Θέση της περιοχής μελέτης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Τύποι και πηγές δεδομένων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' (a) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Rabi, (b) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Kharif , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2014–2015), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2016–2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (2017), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας σιταριού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας βαμβακιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας ρυζιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

Ο αγροτικός τομέας καταναλώνει το 90% του παγκόσμιου νερού, από το οποίο το 40% των καλλιεργειών παράγεται μέσω του συστήματος άρδευσης. Η μη βιώσιμη γεωργία δεν μπορεί να επιτύχει τις διατροφικές απαιτήσεις για τον αυξανόμενο πληθυσμό και ο αγροτικός τομέας αντιμετωπίζει προκλήσεις χαμηλής παραγωγικότητας νερού των καλλιεργειών, έτσι η χρήση του νερού πρέπει να βελτιστοποιηθεί για να παράγει περισσότερα τρόφιμα. Ο αγροτικός τομέας του Πακιστάν συνεισφέρει το 24% της Ακαθάριστης Εγχώριας Παραγωγής και απασχολεί το 45% του συνολικού εργατικού δυναμικού του. Το Πακιστάν έχει δύο κύριες περιόδους καλλιέργειας - Rabi and Kharif. Η καλλιέργεια Kharif εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ποσότητα και την κατανομή των βροχοπτώσεων, ειδικά κατά την περίοδο των μουσώνων. Το σύστημα καναλιών του ποταμού Ινδού υποστηρίζει κυρίως τη γεωργία. Το φράγμα Sukkur είναι το παλαιότερο από αυτά. Πριν από το φράγμα Sukkur, χτίστηκε το κανάλι Rohri μήκους 350 χιλιομέτρων, ένα από τα παλαιότερα κανάλια, το οποίο ποτίζει αγροκτήματα στην αριστερή όχθη του ποταμού Ινδού κάτω από το φράγμα Sukkur και περίπου 2,9 εκατομμύρια στρέμματα γεωργικής γης αντλούν νερό από αυτό σε εννέα περιοχές. Επίσης, ποτίζει εδάφη μέχρι την παράκτια περιοχή της Σινδ για οπωρώνες και περιοχές όπου καλλιεργούνται καλλιέργειες όπως το ζαχαροκάλαμο, το βαμβάκι και το σιτάρι. Η φθίνουσα διαθεσιμότητα νερού στο Πακιστάν είναι ανησυχητική, λόγω της ταχείας αστικοποίησης και εκβιομηχάνισης τα τελευταία πενήντα χρόνια. Εκτός από τον ποταμό Ινδό, άλλοι υδατικοί πόροι στο Πακιστάν είναι τα υπόγεια ύδατα και η βροχόπτωση. Ωστόσο, τα υπόγεια ύδατα εξαντλούνται με τεράστιο ρυθμό λόγω της εκτεταμένης υπερεκμετάλλευσης. Η ανάγκη για άρδευση έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία 20 χρόνια λόγω της επέκτασης της περιοχής καλλιέργειας. Η παροχή νερού ήταν μικρότερη από το 26% των απαιτήσεων σε νερό των καλλιεργειών το καλοκαίρι του 2012, ενώ το χειμώνα, ήταν περίπου 20% πλεόνασμα. Ο ποταμός Ινδός έχει παραγωγικότητα 54%, ενώ η παραγωγικότητα του αρδευτικού συστήματος της Σινδ είναι μόλις 35%. Το κύριο πρόβλημα διαχείρισης του νερού είναι η έλλειψη νερού στις αρχές της περιόδου που ακολουθείται από υπερβολικό νερό με την έναρξη των μουσώνων. Οι αρχές της αποδοτικότητας του νερού βοηθούν στην αξιολόγηση της τρέχουσας παραγωγής και στη διερεύνηση στρατηγικών για την εξοικονόμηση πραγματικού νερού από τα χωράφια στις λεκάνες απορροής. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι η ιδέα να αξιοποιήσετε στο έπακρο τις καλλιέργειες, τα ζώα και άλλα πράγματα, ενώ χρησιμοποιείτε τη λιγότερη δυνατή ποσότητα νερού. Τα δεδομένα σχετικά με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται από τις καλλιέργειες πρέπει να λαμβάνονται ως προαπαιτούμενο πριν από τη χρήση αυτής της στρατηγικής. Η χρήση τιμών εξατμισοδιαπνοής (ET) για την επίλυση απλών εξισώσεων για τον προσδιορισμό της ποσότητας του νερού που καταναλώνεται μπορεί, επομένως, να είναι μια λύση σε αυτό το χρονικά περιορισμένο πρόβλημα. Οι πραγματικές μετρήσεις εξατμισοδιαπνοής (ETa) λαμβάνονται από δορυφορικές φωτογραφίες για επεξεργασία. Αυτή η μελέτη αναλύει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) και τη παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών σιταριού, ρυζιού και βαμβακιού σε εννέα περιοχές της Σινδ εντός της περιοχής διοίκησης του Καναλιού Rohri και θα βοηθήσει στον εντοπισμό περιοχών υψηλών γεωργικών επιδόσεων και θα παρέχει πληροφορίες για τη διαχείριση του συστήματος άρδευσης, οδηγώντας σε βιώσιμη παραγωγικότητα του νερού. Η τηλεπισκόπηση παρέχει μεγάλης κλίμακας δεδομένα εξατμισοδιαπνοής. Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε μια ισχυρή πύλη δεδομένων που βασίζεται στην τηλεπισκόπηση — ροή εξατμισοδιαπνοής του Google Earth Engine (EEFlux) που βασίζεται στη «Χαρτογράφηση εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερική βαθμονόμηση (METRIC)». Αυτός ο ιστότοπος δεδομένων έχει μεγάλες δυνατότητες εκτίμησης του ETa. Το METRIC είναι μια τροποποιημένη έκδοση του «Αλγόριθμου Επιφανειακής Εξισορρόπησης Ενέργειας για Γη (SEBAL), που χρησιμοποιείται στις μέρες μας για τη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής. Το METRIC απαιτεί χειροκίνητες επιλογές εικονοστοιχείων, επομένως έχουν αναπτυχθεί μοντέλα αυτόματης βαθμονόμησης λόγω αβεβαιότητας που μπορεί να προκύψει κατά τη βαθμονόμησή του με διαφορετικούς χρήστες. Τα αυτόματα μοντέλα απαιτούν επίσης τεράστια προεπεξεργασία, όπως η συναρμολόγηση διαφόρων στρωμάτων, το τοπικό κλίμα, τα δορυφορικά δεδομένα, οι χρήσεις γης/κάλυψη, οι χάρτες εδάφους και η εισαγωγή δεδομένων. Το EEFlux όχι μόνο παρέχει έναν αυτόματο μηχανισμό εισαγωγής δεδομένων, αλλά συνδέεται επίσης με το Google Earth Engine (GEE) με τον αλγόριθμο METRIC και παρέχει χάρτες για το Landsat 5, 7, ή 8. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν εικόνες Landsat 5 και 8. 

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Περιγραφή της Περιοχής Μελέτης '''

Το κανάλι Rohri είναι ένα κύριο συστατικό του γεωργικού τομέα στη Σινδ και είναι ένα τεχνητό κανάλι χτισμένο στο φράγμα Sukkur με 2,6 εκατομμύρια στρέμματα για άρδευση. Η περιοχή διοίκησης του καναλιού Rohri καλύπτει και παρέχει νερό σε μεγάλα τμήματα των εννέα περιοχών της Σινδ και βρίσκεται σε θερμό κλίμα με ετήσια βροχόπτωση που δεν υπερβαίνει τα 200 mm και ελάχιστη θερμοκρασία 18 ◦C. Οι κύριες καλλιέργειες που παράγονται σε αυτές τις περιοχές είναι το βαμβάκι και το σιτάρι. Το ρύζι καλλιεργείται επίσης σε αυτήν την περιοχή, αλλά δεν συγκαταλέγεται στις κύριες καλλιέργειες. 

''' 2.2. Μεθοδολογία '''

Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών ορίζεται ως η αναλογία της απόδοσης της καλλιέργειας διαιρούμενη με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται για την παραγωγή της και υπολογίστηκε για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι για τη περίοδο Kharif (1998 και 2017) και Rabi (2014–2015 και 2016–2017). Μετρήθηκε σε kg/m3 και οι χρήσεις του νερού των καλλιεργειών, ή ETa, υπολογίζονται από δεδομένα τηλεπισκόπησης. Χρησιμοποιώντας δορυφορικά δεδομένα, η χρήση του νερού των καλλιεργειών μπορεί να μετρηθεί σε μεγαλύτερες χρονικές και χωρικές κλίμακες. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως η άρδευση, η γονιμότητα του εδάφους, ο έλεγχος παρασίτων και ασθενειών και συχνά αυξάνεται από οποιονδήποτε διαχειριστικό παράγοντα που βελτιώνει την παραγωγή των καλλιεργειών, καθώς η εξατμισοδιαπνοή είναι συνήθως λιγότερο αντιδραστική στις αλλαγές αυτών των παραγόντων από την απόδοση. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι απαραίτητη για την κατανόηση της σχέσης μεταξύ νερού και τροφής και οι τιμές της για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι εκτιμήθηκαν χρησιμοποιώντας την εξίσωση (1): 

<center> ''' CWP = y (Yield) /ETa , (1) ''' </center>

όπου, η CWP είναι η Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών (kg/m3 ), το y αντιπροσωπεύει την απόδοση (kg/m2 ), το ETa είναι η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (m3/ha1). Για αυτήν τη μελέτη, η αρδευόμενη περιοχή και οι αποδόσεις σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού ελήφθησαν από το τμήμα υπηρεσιών αναφοράς καλλιεργειών στο Χαϊντεραμπάντ. 

''' 2.3. Σύνολα δεδομένων '''

''' 2.3.1. Δεδομένα καλλιεργειών '''

Τα δεδομένα για τις καλλιέργειες ελήφθησαν από τη στατιστική έκθεση της Σινδ και το τμήμα γεωργίας.

''' 2.3.2. Crop Masks '''

Crop Masks μπορεί να οριστεί ως η χωρική πληροφορία της κατανομής των διαφόρων καλλιεργειών. Crop Masks για το σιτάρι (2013–2014), το βαμβάκι και το ρύζι (2014–2015) αναπτύχθηκαν από τον Οργανισμό Τροφίμων και Γεωργίας και το Υπουργείο Γεωργίας των Ηνωμένων Πολιτειών ως μέρος του έργου «Γεωργικό Πληροφοριακό Σύστημα - Δημιουργία επαρχιακής ικανότητας στο Πακιστάν για την εκτίμηση, την πρόβλεψη και την αναφορά των καλλιεργειών με βάση την ολοκληρωμένη χρήση των δεδομένων τηλεπισκόπησης». Οι δορυφορικές εικόνες SPOT-5 έχουν χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή αυτών των Crop Masks. 

''' 2.3.3. Εξατμισοδιαπνοή Αναφοράς'''

Για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr), υποθέσαμε ότι η γη ήταν καλυμμένη με γρασίδι και υπολογίσαμε την εξατμισοδιαπνοή από αυτό το γρασίδι. Για τη λεκάνη του Ινδού, σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιούνται τιμές εξατμισοδιαπνοής αναφοράς χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Penman–Monteith.

''' 2.3.4. Δεδομένα Τηλεπισκόπησης '''

Οι εικόνες Landsat λαμβάνονται από την πύλη Earth Engine Evapotranspiration Flux (EEFlux), η οποία παρέχει επεξεργασμένες εικόνες Landsat 5 και 8. Βασίζεται στη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερικοποιημένη βαθμονόμηση και η διαδικασία που βασίζεται στην εικόνα Landsat λειτουργεί στο σύστημα Google Earth Engine. Η χρονική ανάλυση είναι 16 ημέρες με χωρική ανάλυση 30 m. Χρησιμοποιώντας την εξίσωση Penman-Monteith, το EEFlux περιλαμβάνει σύστημα αφομοίωσης δεδομένων γης της Βόρειας Αμερικής για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr). Τα έτη 1998, 2017, 2014–2015 και 2016–2017 επιλέχθηκαν με βάση τις χαμηλές και υψηλές ροές που προέκυψαν από τα δεδομένα ροής χρησιμοποιώντας την ανάλυση συχνότητας. 

''' 2.3.5. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Το EEFlux παρέχει βαθμονομημένες εικόνες που αποδίδουν μια τιμή εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr) σε κάθε εικονοστοιχείο και η τιμή της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) ανά ημέρα υπολογίστηκε πολλαπλασιάζοντας την ETr και την πιθανή εξατμισοδιαπνοή ETo. Εικόνες Landsat εξήγαγαν την ETr από τις καλλιέργειες σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού. Οι ημερομηνίες αναφοράς του παράγοντα εξατμισοδιαπνοής (ETrf) επιλέχθηκαν από τα Πρότυπα του Τμήματος Άρδευσης της Σινδ και από τη χρονική περίοδο των σταδίων ανάπτυξης της καλλιέργειας από την αρχή έως την ωριμότητα. Ωστόσο, κάθε καλλιέργεια έχει διαφορετικές χρονικές περιόδους ανάπτυξης. Η ETa θεωρείται ως κατάλοιπο του ενεργειακού ισοζυγίου της επιφάνειας. Δίνεται στην Εξίσωση (2).

<center> ''' LE = Rn − H − G, (2) ''' </center>

όπου, LE είναι η λανθάνουσα ροή θερμότητας Rn είναι καθαρή ακτινοβολία G είναι ροή θερμότητας του εδάφους και H είναι αισθητή ροή θερμότητας. Ο ETrF (συντελεστής εξατμισοδιαπνοής αναφοράς) υπολογίστηκε με την Εξίσωση (3) και η σωρευτική ETa για κάθε εποχή υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας την Εξίσωση (4) για διαφορετικές φάσεις ανάπτυξης της καλλιέργειας, συμπεριλαμβανομένων των σταδίων Αρχικής, Ανάπτυξης, Ανθοφορίας και ωριμότητας. Η μέση πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) όλων των σταδίων πολλαπλασιάζοντας τα ETrF και ETr με συγκεκριμένες ημέρες και πάρτε τις μέσες τιμές όλων των pixel. 

<center> ''' ETrF = ETa ETr(Re f erence ET) , (3) ''' </center>

<center> ''' ETseason = ETrFseasonΣ n q ETr−24, (4) ''' </center>

όπου, το ETrf αντιπροσωπεύει το ET αναφοράς για μια συγκεκριμένη περίοδο σταδίου ανάπτυξης. Το ETr−24 είναι ένα ημερήσιο ET αναφοράς για συγκεκριμένο αριθμό ημερών. Το n υποδηλώνει αριθμό ημερών. Τιμές ETr της απαιτούμενης περιοχής εντολής καναλιού. 

''' 2.4. Ημερολόγια καλλιεργειών '''

Το ημερολόγιο καλλιεργειών διαφέρει για διαφορετικές περιοχές αλλά και από καλλιέργεια σε καλλιέργεια, όπως το σιτάρι που καλλιεργείται στο Rabi και το βαμβάκι που καλλιεργείται στο Kharif. Για τον υπολογισμό της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) χρησιμοποιήθηκαν ημερολόγια καλλιέργειας για τις μεσαίες και κατώτερες περιοχές της Σίντ. Οι ημερομηνίες για το μεσαίο και το κάτω μέρος είναι διαφορετικές για τη σπορά και τη συγκομιδή. Το αρχικό στάδιο σποράς στην κάτω Σίντ ξεκινά ένα μήνα νωρίτερα από τη μεσαία Σίντ. Η καλλιέργεια σιταριού της εποχής Rabi ξεκινά τον Οκτώβριο και τον Νοέμβριο, αντίστοιχα, στα κάτω και στα ανώτερα τμήματα της επαρχίας. Αντίθετα, οι καλλιέργειες βαμβακιού και ρυζιού καλλιεργούνται την περίοδο Kharif από τον Απρίλιο. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΕΙΣ '''

''' 3.1. Το ποτάμι ρέει '''

Αξιολογήθηκαν οι ετήσιες εποχιακές ροές. Το εκατοστημόριο υπολογίζεται από αυτό το διάγραμμα ροής, το οποίο ρέει από το φράγμα Sukkur. Τα δεδομένα N Μέγιστης Ετήσιας Απόρριψης παρατίθενται στον παρακάτω πίνακα (για τη μεγαλύτερη κατάταξη ροής M = 1 και τη μικρότερη κατάταξη ροής M = n ή 21 σε αυτήν τη μελέτη). Ωστόσο, η εξίσωση (4α) δείχνει το μέσο διάστημα δύο εκφορτίσεων ίσου (ή μεγαλύτερου) μεγέθους σε χρόνια μεταξύ των εμφανίσεων που είναι γνωστό ως Διάστημα Υποτροπής (RI). 

<center> ''' RI = (Ν + 1)/Μ , (4α) ''' </center>

όπου, RI = Διάστημα υποτροπής, N = Μέγιστη Ετήσια Απόρριψη, Μ = Κατάταξη. Η εξίσωση (4β) μπορεί να ορίσει μια πιθανότητα ενός δεδομένου μεγέθους μιας πλημμύρας κάθε χρόνο.

<center> ''' P = (1/RI)× 100 , (4β) ''' </center>

Η εικόνα 3α δείχνει τα έτη και τις ροές της σεζόν Rabi από το 1998–1999 έως το 2018–2019 του Sukkur Barrage, ενώ οι τάξεις κατανεμήθηκαν και ταξινομήθηκαν σύμφωνα με τις ροές όπως υψηλή, μεσαία και χαμηλή. Η πιθανότητα υπέρβασης (P) έχει υπολογιστεί για την εποχή Rabi κατά την οποία καλλιεργούνται οι καλλιέργειες σιταριού. Υπήρξε υψηλή ροή το 2014–2015 και η μέση ροή καταγράφηκε το 2003–2004. Το έτος 2016-2017 θεωρήθηκε μέσης ροής και το 2001 το 2002 με την τελευταία κατάταξη, που θεωρήθηκε έτος χαμηλής ροής. Η εικόνα 3b παρουσιάζει την ανάλυση συχνότητας των ροών της εποχής Kharif από το 1998 έως το 2017 του φράγματος Sukkur. Οι ροές κατηγοριοποιήθηκαν ως υψηλές, μεσαίες και χαμηλές. Το 2010 Kharif το υγρό έτος λόγω της πλημμύρας του ποταμού, που προκαλεί ζημιές στη Σίντ. Ως εκ τούτου, το 1998 επιλέχθηκε ως το έτος υψηλής ροής (επόμενο υψηλότερο μετά το 2010). Το έτος μέσης ροής ήταν το 2017 και το έτος χαμηλής ροής ήταν το 2004. Σε αυτή τη μελέτη αναλύθηκαν καλλιέργειες ρυζιού και βαμβακιού που καλλιεργήθηκαν την περίοδο Kharif. 

''' 3.2. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Υπολογίστηκε η πραγματική μηνιαία εξατμισοδιαπνοή, η οποία υπολογίζει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας (CWP). Μπορεί να παρατηρηθεί ότι το αρχικό στάδιο έχει το χαμηλότερο ETa, ενώ το στάδιο της ανθοφορίας έχει την υψηλότερη εξατμισοδιαπνοή αφού σε αυτό το στάδιο απαιτείται περισσότερο νερό για την ανάπτυξη των φυτών.

''' 3.2.1. Καλλιέργεια Σιταριού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή έχει υπολογιστεί χρησιμοποιώντας μάσκες καλλιέργειας για τα τέσσερα στάδια: αρχικό, ανάπτυξη της καλλιέργειας, ανθοφορία και ωριμότητα. Η εικόνα 4α απεικονίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της εποχής Rabi της καλλιέργειας σίτου, που υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας το ETrf και το ETr. Το ETa είναι χαμηλό στο αρχικό στάδιο, καθώς είναι το στάδιο της σποράς, ενώ το ETa ήταν υψηλότερο στο στάδιο της ανθοφορίας (2014–2015). Η εικόνα 4β δείχνει την τιμή ETa για την περίοδο 2016–2017, χαμηλότερη από την τιμή για την περίοδο 2014–2015.

''' 3.2.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) ήταν περισσότερο για την καλλιέργεια βαμβακιού παρά για το σιτάρι. Η Εικόνα 5a παρουσιάζει την ETa για την καλλιέργεια βαμβακιού της περιόδου Kharif του 1998 όταν η ροή ήταν υψηλή και η Εικόνα 5β δείχνει την υψηλότερη τιμή ETa για το 2017, υψηλότερη από το 1998. Το 2017 οι ροές ήταν κανονικές/μέτριες. Αυτό δείχνει ότι οι υψηλότερες ροές δεν συνδέονται απαραίτητα με υψηλότερες τιμές ETa. 

''' 3.2.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η εικόνα 6α απεικονίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας ρυζιού το 1998, την υψηλότερη μεταξύ άλλων καλλιεργειών όπως το σιτάρι και το βαμβάκι, καθώς το ρύζι καταναλώνει περισσότερο νερό. Ωστόσο, το ρύζι δεν είναι η κύρια καλλιέργεια της Σίντ. Η εικόνα 6β παρουσιάζει το ETa του Hyderabad, του Badin και του Matiyari για το 2017. Η καλλιέργεια ρυζιού καλλιεργείται στις συνοικίες της Σίντ, ωστόσο, απαγορεύεται στην Κάτω Σίντ λόγω λειψυδρίας. 

''' 3.3. Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών Κύριων Καλλιεργειών '''

''' 3.3.1. Καλλιέργεια Σιταριού (2014-2015 και 2016-2017) '''

Η μέση παγκόσμια CWP σιταριού είναι 0,86 kg/m3 έως 1,80 kg/m3. Υπάρχουν τρεις παγκόσμιες κατηγορίες για CWP σίτου: χαμηλή (<= 0,75 kg/m3), μεσαία (> 0,75 kg/m3 έως < 1,10 kg/m3) και υψηλή (>= 1,10 kg/m3). Για το Πακιστάν, η μέση CWP είναι 0,80 kg/m3 έως 0,91 kg/m3, η οποία εμπίπτει στη μεσαία κατηγορία. Υπήρξε υψηλότερη ροή το 2014-2015, ενώ το 2016-2017 ήταν μέτρια. Η μέση CWP για την καλλιέργεια σίτου ήταν 1,03 kg/m3 σε 2014–2015 και 1,02 kg/m3 το 2016-2017. Συνολικά, η CWP της καλλιέργειας σιταριού είναι κάτω από το αναφερόμενο εύρος, δηλαδή μεταξύ 0,32 kg/m3 έως 1,08 kg/m3. Λόγω της υπερχείλισης, της αλατότητας, των συνθηκών του εδάφους και της έλλειψης διαθεσιμότητας υπόγειων υδάτων, το CWP της Σινδ είναι μικρότερη από το Παντζάμπ. Η απόδοση σιταριού της Σινδ είναι 33% μικρότερη από την απόδοση σιταριού του Παντζάμπ.

''' 3.3.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η Εικόνα 8 αντιπροσωπεύει το CWP του βαμβακιού για την εποχή Kharif (1998 και 2017). Για τα έτη αυτά, οι τιμές CWP της καλλιέργειας βαμβακιού ήταν σταθερές. Οι μέσες CWP της περιοχής μελέτης των καλλιεργειών βαμβακιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,12 kg/m3 και 0,16 kg/m3,αντίστοιχα. Οι μέσες τιμές CWP για το βαμβάκι ήταν 0,22 kg/m3 και 0,26 kg/m3. Η χαμηλότερη CWP του Badin οφείλεται στην κακή ποιότητα της εικόνας, έτσι, έγινε δύσκολος ο υπολογισμός της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής και εφαρμόστηκαν διορθώσεις στο σύννεφο όπου η κάλυψη του νέφους ήταν περίπου 50%. 

''' 3.3.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η Εικόνα 9 δείχνει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας του ρυζιού που καλλιεργείται στην περιοχή μελέτης. Οι περισσότερες από τις καλλιέργειες που επιλέχθηκαν σε αυτή τη μελέτη είναι κύριες καλλιέργειες, εκτός από το ρύζι. Το ρύζι είναι μια από τις άλλες καλλιέργειες που η κυβέρνηση της Σινδ απαγόρευσε λόγω της έλλειψης νερού,ωστόσο, το ρύζι καλλιεργήθηκε το 1998 σε όλη τη Σινδ. Συνολικά, οι μέσες τιμές CWP ρυζιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,32 kg/m3 και 0,54 kg/m3, αντίστοιχα. Δεδομένου ότι το ρύζι δεν απαγορεύτηκε το 1998 στην περιοχή μελέτης, το νερό για άλλες καλλιέργειες χρησιμοποιήθηκε για το ρύζι. Οι άλλες καλλιέργειες πήραν αρκετό νερό μετά τη διακοπή της καλλιέργειας ρυζιού.

''' 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Αυτή η μελέτη υπολόγισε την παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών (CWP) του σιταριού, του βαμβακιού και του ρυζιού του Καναλιού Rohri, χρησιμοποιώντας δεδομένα τηλεπισκόπησης στο περιβάλλον GIS. Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή υπολογίστηκε για τις εννέα περιοχές για δύο εποχές Rabi (2014 -2015 και 2016–2017) και δύο εποχές Kharif (1998 και 2017). Τα έτη επιλέχθηκαν με βάση τις υψηλές και μέτριες ροές που περνούσαν από το φράγμα Sukkur. Το ETa ήταν υψηλότερο στην καλλιέργεια ρυζιού, ενώ ήταν μικρότερο από την καλλιέργεια βαμβακιού για την καλλιέργεια σιταριού, καθώς το ETa εξαρτάται από τον τύπο της καλλιέργειας, διότι ορισμένες καλλιέργειες χρειάζονται περισσότερο νερό από άλλες. Τα αποτελέσματα της μελέτης συνόψισαν ότι η εκτίμηση του πραγματικού ET είναι ζωτικής σημασίας για τη διαχείριση του νερού άρδευσης και των συνθηκών καταπόνησης των καλλιεργειών. Αυτή η χρήση του μοντέλου EEFlux για τη λήψη εικόνων ETrf είναι εφικτή για την επεξεργασία τους με ελάχιστη προσπάθεια. Η μέση CWP της καλλιέργειας σιταριού για την περίοδο 2014–2015 και 2016–2017 ήταν, αντίστοιχα, 1,03 kg/m3 και 1,02 kg/m3, ενώ η CWP αυξήθηκε το έτος 2014–2015 σε σύγκριση με το 2016–2017. Υπάρχει περιορισμός δεδομένων σε τρεις περιφέρειες (Matiyari, Tando Allahyar και Tando Muhammad Khan) σχετικά με την περιοχή καλλιέργειας και την παραγωγή βαμβακιού και ρυζιού το 1998, επομένως, υπολογίστηκε η μέσα CWP βαμβακιού και ρυζιού μόνο για έξι περιοχές. Το 1998, συνολικά, η CWP αυξήθηκε και για τις δύο καλλιέργειες, ωστόσο, το ρύζι έχει απαγορευτεί από την κυβέρνηση της Σίντ στην επαρχία Σιντ λόγω της έλλειψης νερού. Το ρύζι παίρνει περισσότερο νερό από άλλες καλλιέργειες και το εξοικονομημένο νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οικιακούς και βιομηχανικούς σκοπούς. Η CWP επηρεάζεται από γεωργικές πρακτικές που περιλαμβάνουν προετοιμασία γης, μεθόδους σποράς, ποιότητα σπόρων και εδάφους, εφαρμογή νερού και λιπασμάτων και έλεγχο ζιζανίων και παρασίτων. Η προτεινόμενη προσέγγιση είναι αρκετά εφικτή και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διαφορετικές περιοχές με διάφορες καλλιέργειες, ενώ προωθούνται τεχνικές τηλεπισκόπησης για την αποτελεσματική διαχείριση της φυτικής παραγωγής. 

[[category:Υδατικοί Πόροι]]
[[category:Γεωργία]]

Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών χρησιμοποιώντας GIS και τεχνικές τηλεπισκόπησης

2024-02-16T10:48:23Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Estimation of Crop Water Productivity Using GIS and Remote Sensing Techniques''

'''Συγγραφείς: ''' Zenobia Talpur, Arjumand Z. Zaidi, Suhail Ahmed, Tarekegn Dejen Mengistu, Si-Jung Choi, Il-Moon Chung

'''Δημοσιεύθηκε: '''''Sustainability 2023, 15, 11154. https://doi.org/10.3390/su151411154 ''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Γεωργία, υδατικοί πόροι, αρδευτικό σύστημα

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών στην περιοχή της Σινδ '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_G_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Θέση της περιοχής μελέτης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Τύποι και πηγές δεδομένων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' (a) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Rabi, (b) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Kharif , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2014–2015), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2016–2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (2017), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας σιταριού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας βαμβακιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας ρυζιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

Ο αγροτικός τομέας καταναλώνει το 90% του παγκόσμιου νερού, από το οποίο το 40% των καλλιεργειών παράγεται μέσω του συστήματος άρδευσης. Η μη βιώσιμη γεωργία δεν μπορεί να επιτύχει τις διατροφικές απαιτήσεις για τον αυξανόμενο πληθυσμό και ο αγροτικός τομέας αντιμετωπίζει προκλήσεις χαμηλής παραγωγικότητας νερού των καλλιεργειών, έτσι η χρήση του νερού πρέπει να βελτιστοποιηθεί για να παράγει περισσότερα τρόφιμα. Ο αγροτικός τομέας του Πακιστάν συνεισφέρει το 24% της Ακαθάριστης Εγχώριας Παραγωγής και απασχολεί το 45% του συνολικού εργατικού δυναμικού του. Το Πακιστάν έχει δύο κύριες περιόδους καλλιέργειας - Rabi and Kharif. Η καλλιέργεια Kharif εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ποσότητα και την κατανομή των βροχοπτώσεων, ειδικά κατά την περίοδο των μουσώνων. Το σύστημα καναλιών του ποταμού Ινδού υποστηρίζει κυρίως τη γεωργία. Το φράγμα Sukkur είναι το παλαιότερο από αυτά. Πριν από το φράγμα Sukkur, χτίστηκε το κανάλι Rohri μήκους 350 χιλιομέτρων, ένα από τα παλαιότερα κανάλια, το οποίο ποτίζει αγροκτήματα στην αριστερή όχθη του ποταμού Ινδού κάτω από το φράγμα Sukkur και περίπου 2,9 εκατομμύρια στρέμματα γεωργικής γης αντλούν νερό από αυτό σε εννέα περιοχές. Επίσης, ποτίζει εδάφη μέχρι την παράκτια περιοχή της Σινδ για οπωρώνες και περιοχές όπου καλλιεργούνται καλλιέργειες όπως το ζαχαροκάλαμο, το βαμβάκι και το σιτάρι. Η φθίνουσα διαθεσιμότητα νερού στο Πακιστάν είναι ανησυχητική, λόγω της ταχείας αστικοποίησης και εκβιομηχάνισης τα τελευταία πενήντα χρόνια. Εκτός από τον ποταμό Ινδό, άλλοι υδατικοί πόροι στο Πακιστάν είναι τα υπόγεια ύδατα και η βροχόπτωση. Ωστόσο, τα υπόγεια ύδατα εξαντλούνται με τεράστιο ρυθμό λόγω της εκτεταμένης υπερεκμετάλλευσης. Η ανάγκη για άρδευση έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία 20 χρόνια λόγω της επέκτασης της περιοχής καλλιέργειας. Η παροχή νερού ήταν μικρότερη από το 26% των απαιτήσεων σε νερό των καλλιεργειών το καλοκαίρι του 2012, ενώ το χειμώνα, ήταν περίπου 20% πλεόνασμα. Ο ποταμός Ινδός έχει παραγωγικότητα 54%, ενώ η παραγωγικότητα του αρδευτικού συστήματος της Σινδ είναι μόλις 35%. Το κύριο πρόβλημα διαχείρισης του νερού είναι η έλλειψη νερού στις αρχές της περιόδου που ακολουθείται από υπερβολικό νερό με την έναρξη των μουσώνων. Οι αρχές της αποδοτικότητας του νερού βοηθούν στην αξιολόγηση της τρέχουσας παραγωγής και στη διερεύνηση στρατηγικών για την εξοικονόμηση πραγματικού νερού από τα χωράφια στις λεκάνες απορροής. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι η ιδέα να αξιοποιήσετε στο έπακρο τις καλλιέργειες, τα ζώα και άλλα πράγματα, ενώ χρησιμοποιείτε τη λιγότερη δυνατή ποσότητα νερού. Τα δεδομένα σχετικά με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται από τις καλλιέργειες πρέπει να λαμβάνονται ως προαπαιτούμενο πριν από τη χρήση αυτής της στρατηγικής. Η χρήση τιμών εξατμισοδιαπνοής (ET) για την επίλυση απλών εξισώσεων για τον προσδιορισμό της ποσότητας του νερού που καταναλώνεται μπορεί, επομένως, να είναι μια λύση σε αυτό το χρονικά περιορισμένο πρόβλημα. Οι πραγματικές μετρήσεις εξατμισοδιαπνοής (ETa) λαμβάνονται από δορυφορικές φωτογραφίες για επεξεργασία. Αυτή η μελέτη αναλύει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) και τη παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών σιταριού, ρυζιού και βαμβακιού σε εννέα περιοχές της Σινδ εντός της περιοχής διοίκησης του Καναλιού Rohri και θα βοηθήσει στον εντοπισμό περιοχών υψηλών γεωργικών επιδόσεων και θα παρέχει πληροφορίες για τη διαχείριση του συστήματος άρδευσης, οδηγώντας σε βιώσιμη παραγωγικότητα του νερού. Η τηλεπισκόπηση παρέχει μεγάλης κλίμακας δεδομένα εξατμισοδιαπνοής. Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε μια ισχυρή πύλη δεδομένων που βασίζεται στην τηλεπισκόπηση — ροή εξατμισοδιαπνοής του Google Earth Engine (EEFlux) που βασίζεται στη «Χαρτογράφηση εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερική βαθμονόμηση (METRIC)». Αυτός ο ιστότοπος δεδομένων έχει μεγάλες δυνατότητες εκτίμησης του ETa. Το METRIC είναι μια τροποποιημένη έκδοση του «Αλγόριθμου Επιφανειακής Εξισορρόπησης Ενέργειας για Γη (SEBAL), που χρησιμοποιείται στις μέρες μας για τη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής. Το METRIC απαιτεί χειροκίνητες επιλογές εικονοστοιχείων, επομένως έχουν αναπτυχθεί μοντέλα αυτόματης βαθμονόμησης λόγω αβεβαιότητας που μπορεί να προκύψει κατά τη βαθμονόμησή του με διαφορετικούς χρήστες. Τα αυτόματα μοντέλα απαιτούν επίσης τεράστια προεπεξεργασία, όπως η συναρμολόγηση διαφόρων στρωμάτων, το τοπικό κλίμα, τα δορυφορικά δεδομένα, οι χρήσεις γης/κάλυψη, οι χάρτες εδάφους και η εισαγωγή δεδομένων. Το EEFlux όχι μόνο παρέχει έναν αυτόματο μηχανισμό εισαγωγής δεδομένων, αλλά συνδέεται επίσης με το Google Earth Engine (GEE) με τον αλγόριθμο METRIC και παρέχει χάρτες για το Landsat 5, 7, ή 8. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν εικόνες Landsat 5 και 8. 

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Περιγραφή της Περιοχής Μελέτης '''

Το κανάλι Rohri είναι ένα κύριο συστατικό του γεωργικού τομέα στη Σινδ και είναι ένα τεχνητό κανάλι χτισμένο στο φράγμα Sukkur με 2,6 εκατομμύρια στρέμματα για άρδευση. Η περιοχή διοίκησης του καναλιού Rohri καλύπτει και παρέχει νερό σε μεγάλα τμήματα των εννέα περιοχών της Σινδ και βρίσκεται σε θερμό κλίμα με ετήσια βροχόπτωση που δεν υπερβαίνει τα 200 mm και ελάχιστη θερμοκρασία 18 ◦C. Οι κύριες καλλιέργειες που παράγονται σε αυτές τις περιοχές είναι το βαμβάκι και το σιτάρι. Το ρύζι καλλιεργείται επίσης σε αυτήν την περιοχή, αλλά δεν συγκαταλέγεται στις κύριες καλλιέργειες. 

''' 2.2. Μεθοδολογία '''

Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών ορίζεται ως η αναλογία της απόδοσης της καλλιέργειας διαιρούμενη με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται για την παραγωγή της και υπολογίστηκε για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι για τη περίοδο Kharif (1998 και 2017) και Rabi (2014–2015 και 2016–2017). Μετρήθηκε σε kg/m3 και οι χρήσεις του νερού των καλλιεργειών, ή ETa, υπολογίζονται από δεδομένα τηλεπισκόπησης. Χρησιμοποιώντας δορυφορικά δεδομένα, η χρήση του νερού των καλλιεργειών μπορεί να μετρηθεί σε μεγαλύτερες χρονικές και χωρικές κλίμακες. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως η άρδευση, η γονιμότητα του εδάφους, ο έλεγχος παρασίτων και ασθενειών και συχνά αυξάνεται από οποιονδήποτε διαχειριστικό παράγοντα που βελτιώνει την παραγωγή των καλλιεργειών, καθώς η εξατμισοδιαπνοή είναι συνήθως λιγότερο αντιδραστική στις αλλαγές αυτών των παραγόντων από την απόδοση. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι απαραίτητη για την κατανόηση της σχέσης μεταξύ νερού και τροφής και οι τιμές της για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι εκτιμήθηκαν χρησιμοποιώντας την εξίσωση (1): 

<center> ''' CWP = y (Yield) /ETa , (1) ''' </center>

όπου, η CWP είναι η Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών (kg/m3 ), το y αντιπροσωπεύει την απόδοση (kg/m2 ), το ETa είναι η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (m3/ha1). Για αυτήν τη μελέτη, η αρδευόμενη περιοχή και οι αποδόσεις σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού ελήφθησαν από το τμήμα υπηρεσιών αναφοράς καλλιεργειών στο Χαϊντεραμπάντ. 

''' 2.3. Σύνολα δεδομένων '''

''' 2.3.1. Δεδομένα καλλιεργειών '''

Τα δεδομένα για τις καλλιέργειες ελήφθησαν από τη στατιστική έκθεση της Σινδ και το τμήμα γεωργίας.

''' 2.3.2. Crop Masks '''

Crop Masks μπορεί να οριστεί ως η χωρική πληροφορία της κατανομής των διαφόρων καλλιεργειών. Crop Masks για το σιτάρι (2013–2014), το βαμβάκι και το ρύζι (2014–2015) αναπτύχθηκαν από τον Οργανισμό Τροφίμων και Γεωργίας και το Υπουργείο Γεωργίας των Ηνωμένων Πολιτειών ως μέρος του έργου «Γεωργικό Πληροφοριακό Σύστημα - Δημιουργία επαρχιακής ικανότητας στο Πακιστάν για την εκτίμηση, την πρόβλεψη και την αναφορά των καλλιεργειών με βάση την ολοκληρωμένη χρήση των δεδομένων τηλεπισκόπησης». Οι δορυφορικές εικόνες SPOT-5 έχουν χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή αυτών των Crop Masks. 

''' 2.3.3. Εξατμισοδιαπνοή Αναφοράς'''

Για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr), υποθέσαμε ότι η γη ήταν καλυμμένη με γρασίδι και υπολογίσαμε την εξατμισοδιαπνοή από αυτό το γρασίδι. Για τη λεκάνη του Ινδού, σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιούνται τιμές εξατμισοδιαπνοής αναφοράς χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Penman–Monteith.

''' 2.3.4. Δεδομένα Τηλεπισκόπησης '''

Οι εικόνες Landsat λαμβάνονται από την πύλη Earth Engine Evapotranspiration Flux (EEFlux), η οποία παρέχει επεξεργασμένες εικόνες Landsat 5 και 8. Βασίζεται στη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερικοποιημένη βαθμονόμηση και η διαδικασία που βασίζεται στην εικόνα Landsat λειτουργεί στο σύστημα Google Earth Engine. Η χρονική ανάλυση είναι 16 ημέρες με χωρική ανάλυση 30 m. Χρησιμοποιώντας την εξίσωση Penman-Monteith, το EEFlux περιλαμβάνει σύστημα αφομοίωσης δεδομένων γης της Βόρειας Αμερικής για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr). Τα έτη 1998, 2017, 2014–2015 και 2016–2017 επιλέχθηκαν με βάση τις χαμηλές και υψηλές ροές που προέκυψαν από τα δεδομένα ροής χρησιμοποιώντας την ανάλυση συχνότητας. 

''' 2.3.5. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Το EEFlux παρέχει βαθμονομημένες εικόνες που αποδίδουν μια τιμή ETr σε κάθε εικονοστοιχείο και η τιμή της πραγματικής ETa εξατμισοδιαπνοής ανά ημέρα υπολογίστηκε πολλαπλασιάζοντας την ETr και την πιθανή εξατμισοδιαπνοή ETo. Εικόνες Landsat εξήγαγαν ETr από τις καλλιέργειες σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού. Οι ημερομηνίες αναφοράς του παράγοντα εξατμισοδιαπνοής (ETrf) επιλέχθηκαν από τα Πρότυπα του Τμήματος Άρδευσης της Σίντ και από τη χρονική περίοδο των σταδίων ανάπτυξης της καλλιέργειας από την αρχική έως την ωριμότητα. Ωστόσο, κάθε καλλιέργεια έχει διαφορετικές χρονικές περιόδους ανάπτυξης. Το ETa θεωρείται ως κατάλοιπο του ενεργειακού ισοζυγίου της επιφάνειας. Δίνεται στην Εξίσωση (2).

<center> ''' LE = Rn − H − G, (2) ''' </center>

όπου, LE είναι η λανθάνουσα ροή θερμότητας Rn είναι καθαρή ακτινοβολία G είναι ροή θερμότητας του εδάφους και H είναι αισθητή ροή θερμότητας. Ο ETrF (συντελεστής εξατμισοδιαπνοής αναφοράς) υπολογίστηκε με την Εξίσωση (3) και η σωρευτική ETa για κάθε εποχή υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας την Εξίσωση (4) για διαφορετικές φάσεις ανάπτυξης της καλλιέργειας, συμπεριλαμβανομένων των σταδίων Αρχικής, Ανάπτυξης, Ανθοφορίας και ωριμότητας. Η μέση πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) όλων των σταδίων πολλαπλασιάζοντας τα ETrF και ETr με συγκεκριμένες ημέρες και πάρτε τις μέσες τιμές όλων των pixel. 

<center> ''' ETrF = ETa ETr(Re f erence ET) , (3) ''' </center>

<center> ''' ETseason = ETrFseasonΣ n q ETr−24, (4) ''' </center>

όπου, το ETrf αντιπροσωπεύει το ET αναφοράς για μια συγκεκριμένη περίοδο σταδίου ανάπτυξης. Το ETr−24 είναι ένα ημερήσιο ET αναφοράς για συγκεκριμένο αριθμό ημερών. Το n υποδηλώνει αριθμό ημερών. Τιμές ETr της απαιτούμενης περιοχής εντολής καναλιού. 

''' 2.4. Ημερολόγια καλλιεργειών '''

Το ημερολόγιο καλλιεργειών διαφέρει για διαφορετικές περιοχές αλλά και από καλλιέργεια σε καλλιέργεια, όπως το σιτάρι που καλλιεργείται στο Rabi και το βαμβάκι που καλλιεργείται στο Kharif. Για τον υπολογισμό της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) χρησιμοποιήθηκαν ημερολόγια καλλιέργειας για τις μεσαίες και κατώτερες περιοχές της Σίντ. Οι ημερομηνίες για το μεσαίο και το κάτω μέρος είναι διαφορετικές για τη σπορά και τη συγκομιδή. Το αρχικό στάδιο σποράς στην κάτω Σίντ ξεκινά ένα μήνα νωρίτερα από τη μεσαία Σίντ. Η καλλιέργεια σιταριού της εποχής Rabi ξεκινά τον Οκτώβριο και τον Νοέμβριο, αντίστοιχα, στα κάτω και στα ανώτερα τμήματα της επαρχίας. Αντίθετα, οι καλλιέργειες βαμβακιού και ρυζιού καλλιεργούνται την περίοδο Kharif από τον Απρίλιο. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΕΙΣ '''

''' 3.1. Το ποτάμι ρέει '''

Αξιολογήθηκαν οι ετήσιες εποχιακές ροές. Το εκατοστημόριο υπολογίζεται από αυτό το διάγραμμα ροής, το οποίο ρέει από το φράγμα Sukkur. Τα δεδομένα N Μέγιστης Ετήσιας Απόρριψης παρατίθενται στον παρακάτω πίνακα (για τη μεγαλύτερη κατάταξη ροής M = 1 και τη μικρότερη κατάταξη ροής M = n ή 21 σε αυτήν τη μελέτη). Ωστόσο, η εξίσωση (4α) δείχνει το μέσο διάστημα δύο εκφορτίσεων ίσου (ή μεγαλύτερου) μεγέθους σε χρόνια μεταξύ των εμφανίσεων που είναι γνωστό ως Διάστημα Υποτροπής (RI). 

<center> ''' RI = (Ν + 1)/Μ , (4α) ''' </center>

όπου, RI = Διάστημα υποτροπής, N = Μέγιστη Ετήσια Απόρριψη, Μ = Κατάταξη. Η εξίσωση (4β) μπορεί να ορίσει μια πιθανότητα ενός δεδομένου μεγέθους μιας πλημμύρας κάθε χρόνο.

<center> ''' P = (1/RI)× 100 , (4β) ''' </center>

Η εικόνα 3α δείχνει τα έτη και τις ροές της σεζόν Rabi από το 1998–1999 έως το 2018–2019 του Sukkur Barrage, ενώ οι τάξεις κατανεμήθηκαν και ταξινομήθηκαν σύμφωνα με τις ροές όπως υψηλή, μεσαία και χαμηλή. Η πιθανότητα υπέρβασης (P) έχει υπολογιστεί για την εποχή Rabi κατά την οποία καλλιεργούνται οι καλλιέργειες σιταριού. Υπήρξε υψηλή ροή το 2014–2015 και η μέση ροή καταγράφηκε το 2003–2004. Το έτος 2016-2017 θεωρήθηκε μέσης ροής και το 2001 το 2002 με την τελευταία κατάταξη, που θεωρήθηκε έτος χαμηλής ροής. Η εικόνα 3b παρουσιάζει την ανάλυση συχνότητας των ροών της εποχής Kharif από το 1998 έως το 2017 του φράγματος Sukkur. Οι ροές κατηγοριοποιήθηκαν ως υψηλές, μεσαίες και χαμηλές. Το 2010 Kharif το υγρό έτος λόγω της πλημμύρας του ποταμού, που προκαλεί ζημιές στη Σίντ. Ως εκ τούτου, το 1998 επιλέχθηκε ως το έτος υψηλής ροής (επόμενο υψηλότερο μετά το 2010). Το έτος μέσης ροής ήταν το 2017 και το έτος χαμηλής ροής ήταν το 2004. Σε αυτή τη μελέτη αναλύθηκαν καλλιέργειες ρυζιού και βαμβακιού που καλλιεργήθηκαν την περίοδο Kharif. 

''' 3.2. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Υπολογίστηκε η πραγματική μηνιαία εξατμισοδιαπνοή, η οποία υπολογίζει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας (CWP). Μπορεί να παρατηρηθεί ότι το αρχικό στάδιο έχει το χαμηλότερο ETa, ενώ το στάδιο της ανθοφορίας έχει την υψηλότερη εξατμισοδιαπνοή αφού σε αυτό το στάδιο απαιτείται περισσότερο νερό για την ανάπτυξη των φυτών.

''' 3.2.1. Καλλιέργεια Σιταριού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή έχει υπολογιστεί χρησιμοποιώντας μάσκες καλλιέργειας για τα τέσσερα στάδια: αρχικό, ανάπτυξη της καλλιέργειας, ανθοφορία και ωριμότητα. Η εικόνα 4α απεικονίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της εποχής Rabi της καλλιέργειας σίτου, που υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας το ETrf και το ETr. Το ETa είναι χαμηλό στο αρχικό στάδιο, καθώς είναι το στάδιο της σποράς, ενώ το ETa ήταν υψηλότερο στο στάδιο της ανθοφορίας (2014–2015). Η εικόνα 4β δείχνει την τιμή ETa για την περίοδο 2016–2017, χαμηλότερη από την τιμή για την περίοδο 2014–2015.

''' 3.2.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) ήταν περισσότερο για την καλλιέργεια βαμβακιού παρά για το σιτάρι. Η Εικόνα 5a παρουσιάζει την ETa για την καλλιέργεια βαμβακιού της περιόδου Kharif του 1998 όταν η ροή ήταν υψηλή και η Εικόνα 5β δείχνει την υψηλότερη τιμή ETa για το 2017, υψηλότερη από το 1998. Το 2017 οι ροές ήταν κανονικές/μέτριες. Αυτό δείχνει ότι οι υψηλότερες ροές δεν συνδέονται απαραίτητα με υψηλότερες τιμές ETa. 

''' 3.2.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η εικόνα 6α απεικονίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας ρυζιού το 1998, την υψηλότερη μεταξύ άλλων καλλιεργειών όπως το σιτάρι και το βαμβάκι, καθώς το ρύζι καταναλώνει περισσότερο νερό. Ωστόσο, το ρύζι δεν είναι η κύρια καλλιέργεια της Σίντ. Η εικόνα 6β παρουσιάζει το ETa του Hyderabad, του Badin και του Matiyari για το 2017. Η καλλιέργεια ρυζιού καλλιεργείται στις συνοικίες της Σίντ, ωστόσο, απαγορεύεται στην Κάτω Σίντ λόγω λειψυδρίας. 

''' 3.3. Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών Κύριων Καλλιεργειών '''

''' 3.3.1. Καλλιέργεια Σιταριού (2014-2015 και 2016-2017) '''

Η μέση παγκόσμια CWP σιταριού είναι 0,86 kg/m3 έως 1,80 kg/m3. Υπάρχουν τρεις παγκόσμιες κατηγορίες για CWP σίτου: χαμηλή (<= 0,75 kg/m3), μεσαία (> 0,75 kg/m3 έως < 1,10 kg/m3) και υψηλή (>= 1,10 kg/m3). Για το Πακιστάν, η μέση CWP είναι 0,80 kg/m3 έως 0,91 kg/m3, η οποία εμπίπτει στη μεσαία κατηγορία. Υπήρξε υψηλότερη ροή το 2014-2015, ενώ το 2016-2017 ήταν μέτρια. Η μέση CWP για την καλλιέργεια σίτου ήταν 1,03 kg/m3 σε 2014–2015 και 1,02 kg/m3 το 2016-2017. Συνολικά, η CWP της καλλιέργειας σιταριού είναι κάτω από το αναφερόμενο εύρος, δηλαδή μεταξύ 0,32 kg/m3 έως 1,08 kg/m3. Λόγω της υπερχείλισης, της αλατότητας, των συνθηκών του εδάφους και της έλλειψης διαθεσιμότητας υπόγειων υδάτων, το CWP της Σινδ είναι μικρότερη από το Παντζάμπ. Η απόδοση σιταριού της Σινδ είναι 33% μικρότερη από την απόδοση σιταριού του Παντζάμπ.

''' 3.3.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η Εικόνα 8 αντιπροσωπεύει το CWP του βαμβακιού για την εποχή Kharif (1998 και 2017). Για τα έτη αυτά, οι τιμές CWP της καλλιέργειας βαμβακιού ήταν σταθερές. Οι μέσες CWP της περιοχής μελέτης των καλλιεργειών βαμβακιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,12 kg/m3 και 0,16 kg/m3,αντίστοιχα. Οι μέσες τιμές CWP για το βαμβάκι ήταν 0,22 kg/m3 και 0,26 kg/m3. Η χαμηλότερη CWP του Badin οφείλεται στην κακή ποιότητα της εικόνας, έτσι, έγινε δύσκολος ο υπολογισμός της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής και εφαρμόστηκαν διορθώσεις στο σύννεφο όπου η κάλυψη του νέφους ήταν περίπου 50%. 

''' 3.3.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η Εικόνα 9 δείχνει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας του ρυζιού που καλλιεργείται στην περιοχή μελέτης. Οι περισσότερες από τις καλλιέργειες που επιλέχθηκαν σε αυτή τη μελέτη είναι κύριες καλλιέργειες, εκτός από το ρύζι. Το ρύζι είναι μια από τις άλλες καλλιέργειες που η κυβέρνηση της Σινδ απαγόρευσε λόγω της έλλειψης νερού,ωστόσο, το ρύζι καλλιεργήθηκε το 1998 σε όλη τη Σινδ. Συνολικά, οι μέσες τιμές CWP ρυζιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,32 kg/m3 και 0,54 kg/m3, αντίστοιχα. Δεδομένου ότι το ρύζι δεν απαγορεύτηκε το 1998 στην περιοχή μελέτης, το νερό για άλλες καλλιέργειες χρησιμοποιήθηκε για το ρύζι. Οι άλλες καλλιέργειες πήραν αρκετό νερό μετά τη διακοπή της καλλιέργειας ρυζιού.

''' 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Αυτή η μελέτη υπολόγισε την παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών (CWP) του σιταριού, του βαμβακιού και του ρυζιού του Καναλιού Rohri, χρησιμοποιώντας δεδομένα τηλεπισκόπησης στο περιβάλλον GIS. Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή υπολογίστηκε για τις εννέα περιοχές για δύο εποχές Rabi (2014 -2015 και 2016–2017) και δύο εποχές Kharif (1998 και 2017). Τα έτη επιλέχθηκαν με βάση τις υψηλές και μέτριες ροές που περνούσαν από το φράγμα Sukkur. Το ETa ήταν υψηλότερο στην καλλιέργεια ρυζιού, ενώ ήταν μικρότερο από την καλλιέργεια βαμβακιού για την καλλιέργεια σιταριού, καθώς το ETa εξαρτάται από τον τύπο της καλλιέργειας, διότι ορισμένες καλλιέργειες χρειάζονται περισσότερο νερό από άλλες. Τα αποτελέσματα της μελέτης συνόψισαν ότι η εκτίμηση του πραγματικού ET είναι ζωτικής σημασίας για τη διαχείριση του νερού άρδευσης και των συνθηκών καταπόνησης των καλλιεργειών. Αυτή η χρήση του μοντέλου EEFlux για τη λήψη εικόνων ETrf είναι εφικτή για την επεξεργασία τους με ελάχιστη προσπάθεια. Η μέση CWP της καλλιέργειας σιταριού για την περίοδο 2014–2015 και 2016–2017 ήταν, αντίστοιχα, 1,03 kg/m3 και 1,02 kg/m3, ενώ η CWP αυξήθηκε το έτος 2014–2015 σε σύγκριση με το 2016–2017. Υπάρχει περιορισμός δεδομένων σε τρεις περιφέρειες (Matiyari, Tando Allahyar και Tando Muhammad Khan) σχετικά με την περιοχή καλλιέργειας και την παραγωγή βαμβακιού και ρυζιού το 1998, επομένως, υπολογίστηκε η μέσα CWP βαμβακιού και ρυζιού μόνο για έξι περιοχές. Το 1998, συνολικά, η CWP αυξήθηκε και για τις δύο καλλιέργειες, ωστόσο, το ρύζι έχει απαγορευτεί από την κυβέρνηση της Σίντ στην επαρχία Σιντ λόγω της έλλειψης νερού. Το ρύζι παίρνει περισσότερο νερό από άλλες καλλιέργειες και το εξοικονομημένο νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οικιακούς και βιομηχανικούς σκοπούς. Η CWP επηρεάζεται από γεωργικές πρακτικές που περιλαμβάνουν προετοιμασία γης, μεθόδους σποράς, ποιότητα σπόρων και εδάφους, εφαρμογή νερού και λιπασμάτων και έλεγχο ζιζανίων και παρασίτων. Η προτεινόμενη προσέγγιση είναι αρκετά εφικτή και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διαφορετικές περιοχές με διάφορες καλλιέργειες, ενώ προωθούνται τεχνικές τηλεπισκόπησης για την αποτελεσματική διαχείριση της φυτικής παραγωγής. 

[[category:Υδατικοί Πόροι]]
[[category:Γεωργία]]

Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών χρησιμοποιώντας GIS και τεχνικές τηλεπισκόπησης

2024-02-16T10:46:38Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Estimation of Crop Water Productivity Using GIS and Remote Sensing Techniques''

'''Συγγραφείς: ''' Zenobia Talpur, Arjumand Z. Zaidi, Suhail Ahmed, Tarekegn Dejen Mengistu, Si-Jung Choi, Il-Moon Chung

'''Δημοσιεύθηκε: '''''Sustainability 2023, 15, 11154. https://doi.org/10.3390/su151411154 ''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Γεωργία, υδατικοί πόροι, αρδευτικό σύστημα

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών στην περιοχή της Σινδ '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_G_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Θέση της περιοχής μελέτης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Τύποι και πηγές δεδομένων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' (a) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Rabi, (b) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Kharif , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2014–2015), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2016–2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (2017), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας σιταριού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας βαμβακιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας ρυζιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

Ο αγροτικός τομέας καταναλώνει το 90% του παγκόσμιου νερού, από το οποίο το 40% των καλλιεργειών παράγεται μέσω του συστήματος άρδευσης. Η μη βιώσιμη γεωργία δεν μπορεί να επιτύχει τις διατροφικές απαιτήσεις για τον αυξανόμενο πληθυσμό και ο αγροτικός τομέας αντιμετωπίζει προκλήσεις χαμηλής παραγωγικότητας νερού των καλλιεργειών, έτσι η χρήση του νερού πρέπει να βελτιστοποιηθεί για να παράγει περισσότερα τρόφιμα. Ο αγροτικός τομέας του Πακιστάν συνεισφέρει το 24% της Ακαθάριστης Εγχώριας Παραγωγής και απασχολεί το 45% του συνολικού εργατικού δυναμικού του. Το Πακιστάν έχει δύο κύριες περιόδους καλλιέργειας - Rabi and Kharif. Η καλλιέργεια Kharif εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ποσότητα και την κατανομή των βροχοπτώσεων, ειδικά κατά την περίοδο των μουσώνων. Το σύστημα καναλιών του ποταμού Ινδού υποστηρίζει κυρίως τη γεωργία. Το φράγμα Sukkur είναι το παλαιότερο από αυτά. Πριν από το φράγμα Sukkur, χτίστηκε το κανάλι Rohri μήκους 350 χιλιομέτρων, ένα από τα παλαιότερα κανάλια, το οποίο ποτίζει αγροκτήματα στην αριστερή όχθη του ποταμού Ινδού κάτω από το φράγμα Sukkur και περίπου 2,9 εκατομμύρια στρέμματα γεωργικής γης αντλούν νερό από αυτό σε εννέα περιοχές. Επίσης, ποτίζει εδάφη μέχρι την παράκτια περιοχή της Σινδ για οπωρώνες και περιοχές όπου καλλιεργούνται καλλιέργειες όπως το ζαχαροκάλαμο, το βαμβάκι και το σιτάρι. Η φθίνουσα διαθεσιμότητα νερού στο Πακιστάν είναι ανησυχητική, λόγω της ταχείας αστικοποίησης και εκβιομηχάνισης τα τελευταία πενήντα χρόνια. Εκτός από τον ποταμό Ινδό, άλλοι υδατικοί πόροι στο Πακιστάν είναι τα υπόγεια ύδατα και η βροχόπτωση. Ωστόσο, τα υπόγεια ύδατα εξαντλούνται με τεράστιο ρυθμό λόγω της εκτεταμένης υπερεκμετάλλευσης. Η ανάγκη για άρδευση έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία 20 χρόνια λόγω της επέκτασης της περιοχής καλλιέργειας. Η παροχή νερού ήταν μικρότερη από το 26% των απαιτήσεων σε νερό των καλλιεργειών το καλοκαίρι του 2012, ενώ το χειμώνα, ήταν περίπου 20% πλεόνασμα. Ο ποταμός Ινδός έχει παραγωγικότητα 54%, ενώ η παραγωγικότητα του αρδευτικού συστήματος της Σινδ είναι μόλις 35%. Το κύριο πρόβλημα διαχείρισης του νερού είναι η έλλειψη νερού στις αρχές της περιόδου που ακολουθείται από υπερβολικό νερό με την έναρξη των μουσώνων. Οι αρχές της αποδοτικότητας του νερού βοηθούν στην αξιολόγηση της τρέχουσας παραγωγής και στη διερεύνηση στρατηγικών για την εξοικονόμηση πραγματικού νερού από τα χωράφια στις λεκάνες απορροής. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι η ιδέα να αξιοποιήσετε στο έπακρο τις καλλιέργειες, τα ζώα και άλλα πράγματα, ενώ χρησιμοποιείτε τη λιγότερη δυνατή ποσότητα νερού. Τα δεδομένα σχετικά με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται από τις καλλιέργειες πρέπει να λαμβάνονται ως προαπαιτούμενο πριν από τη χρήση αυτής της στρατηγικής. Η χρήση τιμών εξατμισοδιαπνοής (ET) για την επίλυση απλών εξισώσεων για τον προσδιορισμό της ποσότητας του νερού που καταναλώνεται μπορεί, επομένως, να είναι μια λύση σε αυτό το χρονικά περιορισμένο πρόβλημα. Οι πραγματικές μετρήσεις εξατμισοδιαπνοής (ETa) λαμβάνονται από δορυφορικές φωτογραφίες για επεξεργασία. Αυτή η μελέτη αναλύει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) και τη παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών σιταριού, ρυζιού και βαμβακιού σε εννέα περιοχές της Σινδ εντός της περιοχής διοίκησης του Καναλιού Rohri και θα βοηθήσει στον εντοπισμό περιοχών υψηλών γεωργικών επιδόσεων και θα παρέχει πληροφορίες για τη διαχείριση του συστήματος άρδευσης, οδηγώντας σε βιώσιμη παραγωγικότητα του νερού. Η τηλεπισκόπηση παρέχει μεγάλης κλίμακας δεδομένα εξατμισοδιαπνοής. Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε μια ισχυρή πύλη δεδομένων που βασίζεται στην τηλεπισκόπηση — ροή εξατμισοδιαπνοής του Google Earth Engine (EEFlux) που βασίζεται στη «Χαρτογράφηση εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερική βαθμονόμηση (METRIC)». Αυτός ο ιστότοπος δεδομένων έχει μεγάλες δυνατότητες εκτίμησης του ETa. Το METRIC είναι μια τροποποιημένη έκδοση του «Αλγόριθμου Επιφανειακής Εξισορρόπησης Ενέργειας για Γη (SEBAL), που χρησιμοποιείται στις μέρες μας για τη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής. Το METRIC απαιτεί χειροκίνητες επιλογές εικονοστοιχείων, επομένως έχουν αναπτυχθεί μοντέλα αυτόματης βαθμονόμησης λόγω αβεβαιότητας που μπορεί να προκύψει κατά τη βαθμονόμησή του με διαφορετικούς χρήστες. Τα αυτόματα μοντέλα απαιτούν επίσης τεράστια προεπεξεργασία, όπως η συναρμολόγηση διαφόρων στρωμάτων, το τοπικό κλίμα, τα δορυφορικά δεδομένα, οι χρήσεις γης/κάλυψη, οι χάρτες εδάφους και η εισαγωγή δεδομένων. Το EEFlux όχι μόνο παρέχει έναν αυτόματο μηχανισμό εισαγωγής δεδομένων, αλλά συνδέεται επίσης με το Google Earth Engine (GEE) με τον αλγόριθμο METRIC και παρέχει χάρτες για το Landsat 5, 7, ή 8. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν εικόνες Landsat 5 και 8. 

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Περιγραφή της Περιοχής Μελέτης '''

Το κανάλι Rohri είναι ένα κύριο συστατικό του γεωργικού τομέα στη Σινδ και είναι ένα τεχνητό κανάλι χτισμένο στο φράγμα Sukkur με 2,6 εκατομμύρια στρέμματα για άρδευση. Η περιοχή διοίκησης του καναλιού Rohri καλύπτει και παρέχει νερό σε μεγάλα τμήματα των εννέα περιοχών της Σινδ και βρίσκεται σε θερμό κλίμα με ετήσια βροχόπτωση που δεν υπερβαίνει τα 200 mm και ελάχιστη θερμοκρασία 18 ◦C. Οι κύριες καλλιέργειες που παράγονται σε αυτές τις περιοχές είναι το βαμβάκι και το σιτάρι. Το ρύζι καλλιεργείται επίσης σε αυτήν την περιοχή, αλλά δεν συγκαταλέγεται στις κύριες καλλιέργειες. 

''' 2.2. Μεθοδολογία '''

Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών ορίζεται ως η αναλογία της απόδοσης της καλλιέργειας διαιρούμενη με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται για την παραγωγή της και υπολογίστηκε για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι για τη περίοδο Kharif (1998 και 2017) και Rabi (2014–2015 και 2016–2017). Μετρήθηκε σε kg/m3 και οι χρήσεις του νερού των καλλιεργειών, ή ETa, υπολογίζονται από δεδομένα τηλεπισκόπησης. Χρησιμοποιώντας δορυφορικά δεδομένα, η χρήση του νερού των καλλιεργειών μπορεί να μετρηθεί σε μεγαλύτερες χρονικές και χωρικές κλίμακες. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως η άρδευση, η γονιμότητα του εδάφους, ο έλεγχος παρασίτων και ασθενειών και συχνά αυξάνεται από οποιονδήποτε διαχειριστικό παράγοντα που βελτιώνει την παραγωγή των καλλιεργειών, καθώς η εξατμισοδιαπνοή είναι συνήθως λιγότερο αντιδραστική στις αλλαγές αυτών των παραγόντων από την απόδοση. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι απαραίτητη για την κατανόηση της σχέσης μεταξύ νερού και τροφής και οι τιμές της για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι εκτιμήθηκαν χρησιμοποιώντας την εξίσωση (1): 

<center> ''' CWP = y (Yield) /ETa , (1) ''' </center>

όπου, η CWP είναι η Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών (kg/m3 ), το y αντιπροσωπεύει την απόδοση (kg/m2 ), το ETa είναι η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (m3/ha1). Για αυτήν τη μελέτη, η αρδευόμενη περιοχή και οι αποδόσεις σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού ελήφθησαν από το τμήμα υπηρεσιών αναφοράς καλλιεργειών στο Χαϊντεραμπάντ. 

''' 2.3. Σύνολα δεδομένων '''

''' 2.3.1. Δεδομένα καλλιεργειών '''

Τα δεδομένα για τις καλλιέργειες ελήφθησαν από τη στατιστική έκθεση της Σινδ και το τμήμα γεωργίας.

''' 2.3.2. Crop Masks '''

Crop Masks μπορεί να οριστεί ως η χωρική πληροφορία της κατανομής των διαφόρων καλλιεργειών. Crop Masks για το σιτάρι (2013–2014), το βαμβάκι και το ρύζι (2014–2015) αναπτύχθηκαν από τον Οργανισμό Τροφίμων και Γεωργίας και το Υπουργείο Γεωργίας των Ηνωμένων Πολιτειών ως μέρος του έργου «Γεωργικό Πληροφοριακό Σύστημα - Δημιουργία επαρχιακής ικανότητας στο Πακιστάν για την εκτίμηση, την πρόβλεψη και την αναφορά των καλλιεργειών με βάση την ολοκληρωμένη χρήση των δεδομένων τηλεπισκόπησης». Οι δορυφορικές εικόνες SPOT-5 έχουν χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή αυτών των Crop Masks. 

''' 2.3.3. Εξατμισοδιαπνοή Αναφοράς'''

Για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr), υποθέσαμε ότι η γη ήταν καλυμμένη με γρασίδι και υπολογίσαμε την εξατμισοδιαπνοή από αυτό το γρασίδι. Για τη λεκάνη του Ινδού, σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιούνται τιμές εξατμισοδιαπνοής αναφοράς χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Penman–Monteith.

''' 2.3.4. Δεδομένα Τηλεπισκόπησης '''

Οι εικόνες Landsat λαμβάνονται από την πύλη Earth Engine Evapotranspiration Flux (EEFlux), η οποία παρέχει επεξεργασμένες εικόνες Landsat 5 και 8. Βασίζεται στη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερικοποιημένη βαθμονόμηση και η διαδικασία που βασίζεται στην εικόνα Landsat λειτουργεί στο σύστημα Google Earth Engine. Η χρονική ανάλυση είναι 16 ημέρες με χωρική ανάλυση 30 m. Χρησιμοποιώντας την εξίσωση Penman-Monteith, το EEFlux περιλαμβάνει σύστημα αφομοίωσης δεδομένων γης της Βόρειας Αμερικής για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr). Τα έτη 1998, 2017, 2014–2015 και 2016–2017 επιλέχθηκαν με βάση τις χαμηλές και υψηλές ροές που προέκυψαν από τα δεδομένα ροής χρησιμοποιώντας την ανάλυση συχνότητας. 

''' 2.3.5. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Το EEFlux παρέχει βαθμονομημένες εικόνες που αποδίδουν μια τιμή ETr σε κάθε εικονοστοιχείο και η τιμή της πραγματικής ETa εξατμισοδιαπνοής ανά ημέρα υπολογίστηκε πολλαπλασιάζοντας την ETr και την πιθανή εξατμισοδιαπνοή ETo. Εικόνες και μάσκες καλλιέργειας Landsat εξήγαγαν ETr από τις καλλιέργειες σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού. Οι ημερομηνίες αναφοράς του παράγοντα εξατμισοδιαπνοής (ETrf) επιλέχθηκαν από τα Πρότυπα του Τμήματος Άρδευσης της Σίντ και από τη χρονική περίοδο των σταδίων ανάπτυξης της καλλιέργειας από την αρχική έως την ωριμότητα. Ωστόσο, κάθε καλλιέργεια έχει διαφορετικές χρονικές περιόδους ανάπτυξης. Το ETa θεωρείται ως κατάλοιπο του ενεργειακού ισοζυγίου της επιφάνειας. Δίνεται στην Εξίσωση (2).

<center> ''' LE = Rn − H − G, (2) ''' </center>

όπου, LE είναι η λανθάνουσα ροή θερμότητας Rn είναι καθαρή ακτινοβολία G είναι ροή θερμότητας του εδάφους και H είναι αισθητή ροή θερμότητας. Ο ETrF (συντελεστής εξατμισοδιαπνοής αναφοράς) υπολογίστηκε με την Εξίσωση (3) και η σωρευτική ETa για κάθε εποχή υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας την Εξίσωση (4) για διαφορετικές φάσεις ανάπτυξης της καλλιέργειας, συμπεριλαμβανομένων των σταδίων Αρχικής, Ανάπτυξης, Ανθοφορίας και ωριμότητας. Η μέση πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) όλων των σταδίων πολλαπλασιάζοντας τα ETrF και ETr με συγκεκριμένες ημέρες και πάρτε τις μέσες τιμές όλων των pixel. 

<center> ''' ETrF = ETa ETr(Re f erence ET) , (3) ''' </center>

<center> ''' ETseason = ETrFseasonΣ n q ETr−24, (4) ''' </center>

όπου, το ETrf αντιπροσωπεύει το ET αναφοράς για μια συγκεκριμένη περίοδο σταδίου ανάπτυξης. Το ETr−24 είναι ένα ημερήσιο ET αναφοράς για συγκεκριμένο αριθμό ημερών. Το n υποδηλώνει αριθμό ημερών. Τιμές ETr της απαιτούμενης περιοχής εντολής καναλιού. 

''' 2.4. Ημερολόγια καλλιεργειών '''

Το ημερολόγιο καλλιεργειών διαφέρει για διαφορετικές περιοχές αλλά και από καλλιέργεια σε καλλιέργεια, όπως το σιτάρι που καλλιεργείται στο Rabi και το βαμβάκι που καλλιεργείται στο Kharif. Για τον υπολογισμό της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) χρησιμοποιήθηκαν ημερολόγια καλλιέργειας για τις μεσαίες και κατώτερες περιοχές της Σίντ. Οι ημερομηνίες για το μεσαίο και το κάτω μέρος είναι διαφορετικές για τη σπορά και τη συγκομιδή. Το αρχικό στάδιο σποράς στην κάτω Σίντ ξεκινά ένα μήνα νωρίτερα από τη μεσαία Σίντ. Η καλλιέργεια σιταριού της εποχής Rabi ξεκινά τον Οκτώβριο και τον Νοέμβριο, αντίστοιχα, στα κάτω και στα ανώτερα τμήματα της επαρχίας. Αντίθετα, οι καλλιέργειες βαμβακιού και ρυζιού καλλιεργούνται την περίοδο Kharif από τον Απρίλιο. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΕΙΣ '''

''' 3.1. Το ποτάμι ρέει '''

Αξιολογήθηκαν οι ετήσιες εποχιακές ροές. Το εκατοστημόριο υπολογίζεται από αυτό το διάγραμμα ροής, το οποίο ρέει από το φράγμα Sukkur. Τα δεδομένα N Μέγιστης Ετήσιας Απόρριψης παρατίθενται στον παρακάτω πίνακα (για τη μεγαλύτερη κατάταξη ροής M = 1 και τη μικρότερη κατάταξη ροής M = n ή 21 σε αυτήν τη μελέτη). Ωστόσο, η εξίσωση (4α) δείχνει το μέσο διάστημα δύο εκφορτίσεων ίσου (ή μεγαλύτερου) μεγέθους σε χρόνια μεταξύ των εμφανίσεων που είναι γνωστό ως Διάστημα Υποτροπής (RI). 

<center> ''' RI = (Ν + 1)/Μ , (4α) ''' </center>

όπου, RI = Διάστημα υποτροπής, N = Μέγιστη Ετήσια Απόρριψη, Μ = Κατάταξη. Η εξίσωση (4β) μπορεί να ορίσει μια πιθανότητα ενός δεδομένου μεγέθους μιας πλημμύρας κάθε χρόνο.

<center> ''' P = (1/RI)× 100 , (4β) ''' </center>

Η εικόνα 3α δείχνει τα έτη και τις ροές της σεζόν Rabi από το 1998–1999 έως το 2018–2019 του Sukkur Barrage, ενώ οι τάξεις κατανεμήθηκαν και ταξινομήθηκαν σύμφωνα με τις ροές όπως υψηλή, μεσαία και χαμηλή. Η πιθανότητα υπέρβασης (P) έχει υπολογιστεί για την εποχή Rabi κατά την οποία καλλιεργούνται οι καλλιέργειες σιταριού. Υπήρξε υψηλή ροή το 2014–2015 και η μέση ροή καταγράφηκε το 2003–2004. Το έτος 2016-2017 θεωρήθηκε μέσης ροής και το 2001 το 2002 με την τελευταία κατάταξη, που θεωρήθηκε έτος χαμηλής ροής. Η εικόνα 3b παρουσιάζει την ανάλυση συχνότητας των ροών της εποχής Kharif από το 1998 έως το 2017 του φράγματος Sukkur. Οι ροές κατηγοριοποιήθηκαν ως υψηλές, μεσαίες και χαμηλές. Το 2010 Kharif το υγρό έτος λόγω της πλημμύρας του ποταμού, που προκαλεί ζημιές στη Σίντ. Ως εκ τούτου, το 1998 επιλέχθηκε ως το έτος υψηλής ροής (επόμενο υψηλότερο μετά το 2010). Το έτος μέσης ροής ήταν το 2017 και το έτος χαμηλής ροής ήταν το 2004. Σε αυτή τη μελέτη αναλύθηκαν καλλιέργειες ρυζιού και βαμβακιού που καλλιεργήθηκαν την περίοδο Kharif. 

''' 3.2. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Υπολογίστηκε η πραγματική μηνιαία εξατμισοδιαπνοή, η οποία υπολογίζει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας (CWP). Μπορεί να παρατηρηθεί ότι το αρχικό στάδιο έχει το χαμηλότερο ETa, ενώ το στάδιο της ανθοφορίας έχει την υψηλότερη εξατμισοδιαπνοή αφού σε αυτό το στάδιο απαιτείται περισσότερο νερό για την ανάπτυξη των φυτών.

''' 3.2.1. Καλλιέργεια Σιταριού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή έχει υπολογιστεί χρησιμοποιώντας μάσκες καλλιέργειας για τα τέσσερα στάδια: αρχικό, ανάπτυξη της καλλιέργειας, ανθοφορία και ωριμότητα. Η εικόνα 4α απεικονίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της εποχής Rabi της καλλιέργειας σίτου, που υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας το ETrf και το ETr. Το ETa είναι χαμηλό στο αρχικό στάδιο, καθώς είναι το στάδιο της σποράς, ενώ το ETa ήταν υψηλότερο στο στάδιο της ανθοφορίας (2014–2015). Η εικόνα 4β δείχνει την τιμή ETa για την περίοδο 2016–2017, χαμηλότερη από την τιμή για την περίοδο 2014–2015.

''' 3.2.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) ήταν περισσότερο για την καλλιέργεια βαμβακιού παρά για το σιτάρι. Η Εικόνα 5a παρουσιάζει την ETa για την καλλιέργεια βαμβακιού της περιόδου Kharif του 1998 όταν η ροή ήταν υψηλή και η Εικόνα 5β δείχνει την υψηλότερη τιμή ETa για το 2017, υψηλότερη από το 1998. Το 2017 οι ροές ήταν κανονικές/μέτριες. Αυτό δείχνει ότι οι υψηλότερες ροές δεν συνδέονται απαραίτητα με υψηλότερες τιμές ETa. 

''' 3.2.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η εικόνα 6α απεικονίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας ρυζιού το 1998, την υψηλότερη μεταξύ άλλων καλλιεργειών όπως το σιτάρι και το βαμβάκι, καθώς το ρύζι καταναλώνει περισσότερο νερό. Ωστόσο, το ρύζι δεν είναι η κύρια καλλιέργεια της Σίντ. Η εικόνα 6β παρουσιάζει το ETa του Hyderabad, του Badin και του Matiyari για το 2017. Η καλλιέργεια ρυζιού καλλιεργείται στις συνοικίες της Σίντ, ωστόσο, απαγορεύεται στην Κάτω Σίντ λόγω λειψυδρίας. 

''' 3.3. Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών Κύριων Καλλιεργειών '''

''' 3.3.1. Καλλιέργεια Σιταριού (2014-2015 και 2016-2017) '''

Η μέση παγκόσμια CWP σιταριού είναι 0,86 kg/m3 έως 1,80 kg/m3. Υπάρχουν τρεις παγκόσμιες κατηγορίες για CWP σίτου: χαμηλή (<= 0,75 kg/m3), μεσαία (> 0,75 kg/m3 έως < 1,10 kg/m3) και υψηλή (>= 1,10 kg/m3). Για το Πακιστάν, η μέση CWP είναι 0,80 kg/m3 έως 0,91 kg/m3, η οποία εμπίπτει στη μεσαία κατηγορία. Υπήρξε υψηλότερη ροή το 2014-2015, ενώ το 2016-2017 ήταν μέτρια. Η μέση CWP για την καλλιέργεια σίτου ήταν 1,03 kg/m3 σε 2014–2015 και 1,02 kg/m3 το 2016-2017. Συνολικά, η CWP της καλλιέργειας σιταριού είναι κάτω από το αναφερόμενο εύρος, δηλαδή μεταξύ 0,32 kg/m3 έως 1,08 kg/m3. Λόγω της υπερχείλισης, της αλατότητας, των συνθηκών του εδάφους και της έλλειψης διαθεσιμότητας υπόγειων υδάτων, το CWP της Σινδ είναι μικρότερη από το Παντζάμπ. Η απόδοση σιταριού της Σινδ είναι 33% μικρότερη από την απόδοση σιταριού του Παντζάμπ.

''' 3.3.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η Εικόνα 8 αντιπροσωπεύει το CWP του βαμβακιού για την εποχή Kharif (1998 και 2017). Για τα έτη αυτά, οι τιμές CWP της καλλιέργειας βαμβακιού ήταν σταθερές. Οι μέσες CWP της περιοχής μελέτης των καλλιεργειών βαμβακιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,12 kg/m3 και 0,16 kg/m3,αντίστοιχα. Οι μέσες τιμές CWP για το βαμβάκι ήταν 0,22 kg/m3 και 0,26 kg/m3. Η χαμηλότερη CWP του Badin οφείλεται στην κακή ποιότητα της εικόνας, έτσι, έγινε δύσκολος ο υπολογισμός της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής και εφαρμόστηκαν διορθώσεις στο σύννεφο όπου η κάλυψη του νέφους ήταν περίπου 50%. 

''' 3.3.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η Εικόνα 9 δείχνει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας του ρυζιού που καλλιεργείται στην περιοχή μελέτης. Οι περισσότερες από τις καλλιέργειες που επιλέχθηκαν σε αυτή τη μελέτη είναι κύριες καλλιέργειες, εκτός από το ρύζι. Το ρύζι είναι μια από τις άλλες καλλιέργειες που η κυβέρνηση της Σινδ απαγόρευσε λόγω της έλλειψης νερού,ωστόσο, το ρύζι καλλιεργήθηκε το 1998 σε όλη τη Σινδ. Συνολικά, οι μέσες τιμές CWP ρυζιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,32 kg/m3 και 0,54 kg/m3, αντίστοιχα. Δεδομένου ότι το ρύζι δεν απαγορεύτηκε το 1998 στην περιοχή μελέτης, το νερό για άλλες καλλιέργειες χρησιμοποιήθηκε για το ρύζι. Οι άλλες καλλιέργειες πήραν αρκετό νερό μετά τη διακοπή της καλλιέργειας ρυζιού.

''' 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Αυτή η μελέτη υπολόγισε την παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών (CWP) του σιταριού, του βαμβακιού και του ρυζιού του Καναλιού Rohri, χρησιμοποιώντας δεδομένα τηλεπισκόπησης στο περιβάλλον GIS. Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή υπολογίστηκε για τις εννέα περιοχές για δύο εποχές Rabi (2014 -2015 και 2016–2017) και δύο εποχές Kharif (1998 και 2017). Τα έτη επιλέχθηκαν με βάση τις υψηλές και μέτριες ροές που περνούσαν από το φράγμα Sukkur. Το ETa ήταν υψηλότερο στην καλλιέργεια ρυζιού, ενώ ήταν μικρότερο από την καλλιέργεια βαμβακιού για την καλλιέργεια σιταριού, καθώς το ETa εξαρτάται από τον τύπο της καλλιέργειας, διότι ορισμένες καλλιέργειες χρειάζονται περισσότερο νερό από άλλες. Τα αποτελέσματα της μελέτης συνόψισαν ότι η εκτίμηση του πραγματικού ET είναι ζωτικής σημασίας για τη διαχείριση του νερού άρδευσης και των συνθηκών καταπόνησης των καλλιεργειών. Αυτή η χρήση του μοντέλου EEFlux για τη λήψη εικόνων ETrf είναι εφικτή για την επεξεργασία τους με ελάχιστη προσπάθεια. Η μέση CWP της καλλιέργειας σιταριού για την περίοδο 2014–2015 και 2016–2017 ήταν, αντίστοιχα, 1,03 kg/m3 και 1,02 kg/m3, ενώ η CWP αυξήθηκε το έτος 2014–2015 σε σύγκριση με το 2016–2017. Υπάρχει περιορισμός δεδομένων σε τρεις περιφέρειες (Matiyari, Tando Allahyar και Tando Muhammad Khan) σχετικά με την περιοχή καλλιέργειας και την παραγωγή βαμβακιού και ρυζιού το 1998, επομένως, υπολογίστηκε η μέσα CWP βαμβακιού και ρυζιού μόνο για έξι περιοχές. Το 1998, συνολικά, η CWP αυξήθηκε και για τις δύο καλλιέργειες, ωστόσο, το ρύζι έχει απαγορευτεί από την κυβέρνηση της Σίντ στην επαρχία Σιντ λόγω της έλλειψης νερού. Το ρύζι παίρνει περισσότερο νερό από άλλες καλλιέργειες και το εξοικονομημένο νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οικιακούς και βιομηχανικούς σκοπούς. Η CWP επηρεάζεται από γεωργικές πρακτικές που περιλαμβάνουν προετοιμασία γης, μεθόδους σποράς, ποιότητα σπόρων και εδάφους, εφαρμογή νερού και λιπασμάτων και έλεγχο ζιζανίων και παρασίτων. Η προτεινόμενη προσέγγιση είναι αρκετά εφικτή και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διαφορετικές περιοχές με διάφορες καλλιέργειες, ενώ προωθούνται τεχνικές τηλεπισκόπησης για την αποτελεσματική διαχείριση της φυτικής παραγωγής. 

[[category:Υδατικοί Πόροι]]
[[category:Γεωργία]]

Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών χρησιμοποιώντας GIS και τεχνικές τηλεπισκόπησης

2024-02-16T10:42:42Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Estimation of Crop Water Productivity Using GIS and Remote Sensing Techniques''

'''Συγγραφείς: ''' Zenobia Talpur, Arjumand Z. Zaidi, Suhail Ahmed, Tarekegn Dejen Mengistu, Si-Jung Choi, Il-Moon Chung

'''Δημοσιεύθηκε: '''''Sustainability 2023, 15, 11154. https://doi.org/10.3390/su151411154 ''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Γεωργία, υδατικοί πόροι, αρδευτικό σύστημα

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών στην περιοχή της Σινδ '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_G_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Θέση της περιοχής μελέτης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Τύποι και πηγές δεδομένων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' (a) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Rabi, (b) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Kharif , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2014–2015), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2016–2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (2017), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας σιταριού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας βαμβακιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας ρυζιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

Ο αγροτικός τομέας καταναλώνει το 90% του παγκόσμιου νερού, από το οποίο το 40% των καλλιεργειών παράγεται μέσω του συστήματος άρδευσης. Η μη βιώσιμη γεωργία δεν μπορεί να επιτύχει τις διατροφικές απαιτήσεις για τον αυξανόμενο πληθυσμό και ο αγροτικός τομέας αντιμετωπίζει προκλήσεις χαμηλής παραγωγικότητας νερού των καλλιεργειών, έτσι η χρήση του νερού πρέπει να βελτιστοποιηθεί για να παράγει περισσότερα τρόφιμα. Ο αγροτικός τομέας του Πακιστάν συνεισφέρει το 24% της Ακαθάριστης Εγχώριας Παραγωγής και απασχολεί το 45% του συνολικού εργατικού δυναμικού του. Το Πακιστάν έχει δύο κύριες περιόδους καλλιέργειας - Rabi and Kharif. Η καλλιέργεια Kharif εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ποσότητα και την κατανομή των βροχοπτώσεων, ειδικά κατά την περίοδο των μουσώνων. Το σύστημα καναλιών του ποταμού Ινδού υποστηρίζει κυρίως τη γεωργία. Το φράγμα Sukkur είναι το παλαιότερο από αυτά. Πριν από το φράγμα Sukkur, χτίστηκε το κανάλι Rohri μήκους 350 χιλιομέτρων, ένα από τα παλαιότερα κανάλια, το οποίο ποτίζει αγροκτήματα στην αριστερή όχθη του ποταμού Ινδού κάτω από το φράγμα Sukkur και περίπου 2,9 εκατομμύρια στρέμματα γεωργικής γης αντλούν νερό από αυτό σε εννέα περιοχές. Επίσης, ποτίζει εδάφη μέχρι την παράκτια περιοχή της Σινδ για οπωρώνες και περιοχές όπου καλλιεργούνται καλλιέργειες όπως το ζαχαροκάλαμο, το βαμβάκι και το σιτάρι. Η φθίνουσα διαθεσιμότητα νερού στο Πακιστάν είναι ανησυχητική, λόγω της ταχείας αστικοποίησης και εκβιομηχάνισης τα τελευταία πενήντα χρόνια. Εκτός από τον ποταμό Ινδό, άλλοι υδατικοί πόροι στο Πακιστάν είναι τα υπόγεια ύδατα και η βροχόπτωση. Ωστόσο, τα υπόγεια ύδατα εξαντλούνται με τεράστιο ρυθμό λόγω της εκτεταμένης υπερεκμετάλλευσης. Η ανάγκη για άρδευση έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία 20 χρόνια λόγω της επέκτασης της περιοχής καλλιέργειας. Η παροχή νερού ήταν μικρότερη από το 26% των απαιτήσεων σε νερό των καλλιεργειών το καλοκαίρι του 2012, ενώ το χειμώνα, ήταν περίπου 20% πλεόνασμα. Ο ποταμός Ινδός έχει παραγωγικότητα 54%, ενώ η παραγωγικότητα του αρδευτικού συστήματος της Σινδ είναι μόλις 35%. Το κύριο πρόβλημα διαχείρισης του νερού είναι η έλλειψη νερού στις αρχές της περιόδου που ακολουθείται από υπερβολικό νερό με την έναρξη των μουσώνων. Οι αρχές της αποδοτικότητας του νερού βοηθούν στην αξιολόγηση της τρέχουσας παραγωγής και στη διερεύνηση στρατηγικών για την εξοικονόμηση πραγματικού νερού από τα χωράφια στις λεκάνες απορροής. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι η ιδέα να αξιοποιήσετε στο έπακρο τις καλλιέργειες, τα ζώα και άλλα πράγματα, ενώ χρησιμοποιείτε τη λιγότερη δυνατή ποσότητα νερού. Τα δεδομένα σχετικά με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται από τις καλλιέργειες πρέπει να λαμβάνονται ως προαπαιτούμενο πριν από τη χρήση αυτής της στρατηγικής. Η χρήση τιμών εξατμισοδιαπνοής (ET) για την επίλυση απλών εξισώσεων για τον προσδιορισμό της ποσότητας του νερού που καταναλώνεται μπορεί, επομένως, να είναι μια λύση σε αυτό το χρονικά περιορισμένο πρόβλημα. Οι πραγματικές μετρήσεις εξατμισοδιαπνοής (ETa) λαμβάνονται από δορυφορικές φωτογραφίες για επεξεργασία. Αυτή η μελέτη αναλύει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) και τη παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών σιταριού, ρυζιού και βαμβακιού σε εννέα περιοχές της Σινδ εντός της περιοχής διοίκησης του Καναλιού Rohri και θα βοηθήσει στον εντοπισμό περιοχών υψηλών γεωργικών επιδόσεων και θα παρέχει πληροφορίες για τη διαχείριση του συστήματος άρδευσης, οδηγώντας σε βιώσιμη παραγωγικότητα του νερού. Η τηλεπισκόπηση παρέχει μεγάλης κλίμακας δεδομένα εξατμισοδιαπνοής. Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε μια ισχυρή πύλη δεδομένων που βασίζεται στην τηλεπισκόπηση — ροή εξατμισοδιαπνοής του Google Earth Engine (EEFlux) που βασίζεται στη «Χαρτογράφηση εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερική βαθμονόμηση (METRIC)». Αυτός ο ιστότοπος δεδομένων έχει μεγάλες δυνατότητες εκτίμησης του ETa. Το METRIC είναι μια τροποποιημένη έκδοση του «Αλγόριθμου Επιφανειακής Εξισορρόπησης Ενέργειας για Γη (SEBAL), που χρησιμοποιείται στις μέρες μας για τη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής. Το METRIC απαιτεί χειροκίνητες επιλογές εικονοστοιχείων, επομένως έχουν αναπτυχθεί μοντέλα αυτόματης βαθμονόμησης λόγω αβεβαιότητας που μπορεί να προκύψει κατά τη βαθμονόμησή του με διαφορετικούς χρήστες. Τα αυτόματα μοντέλα απαιτούν επίσης τεράστια προεπεξεργασία, όπως η συναρμολόγηση διαφόρων στρωμάτων, το τοπικό κλίμα, τα δορυφορικά δεδομένα, οι χρήσεις γης/κάλυψη, οι χάρτες εδάφους και η εισαγωγή δεδομένων. Το EEFlux όχι μόνο παρέχει έναν αυτόματο μηχανισμό εισαγωγής δεδομένων, αλλά συνδέεται επίσης με το Google Earth Engine (GEE) με τον αλγόριθμο METRIC και παρέχει χάρτες για το Landsat 5, 7, ή 8. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν εικόνες Landsat 5 και 8. 

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Περιγραφή της Περιοχής Μελέτης '''

Το κανάλι Rohri είναι ένα κύριο συστατικό του γεωργικού τομέα στη Σινδ και είναι ένα τεχνητό κανάλι χτισμένο στο φράγμα Sukkur με 2,6 εκατομμύρια στρέμματα για άρδευση. Η περιοχή διοίκησης του καναλιού Rohri καλύπτει και παρέχει νερό σε μεγάλα τμήματα των εννέα περιοχών της Σινδ και βρίσκεται σε θερμό κλίμα με ετήσια βροχόπτωση που δεν υπερβαίνει τα 200 mm και ελάχιστη θερμοκρασία 18 ◦C. Οι κύριες καλλιέργειες που παράγονται σε αυτές τις περιοχές είναι το βαμβάκι και το σιτάρι. Το ρύζι καλλιεργείται επίσης σε αυτήν την περιοχή, αλλά δεν συγκαταλέγεται στις κύριες καλλιέργειες. 

''' 2.2. Μεθοδολογία '''

Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών ορίζεται ως η αναλογία της απόδοσης της καλλιέργειας διαιρούμενη με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται για την παραγωγή της και υπολογίστηκε για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι για τη περίοδο Kharif (1998 και 2017) και Rabi (2014–2015 και 2016–2017). Μετρήθηκε σε kg/m3 και οι χρήσεις του νερού των καλλιεργειών, ή ETa, υπολογίζονται από δεδομένα τηλεπισκόπησης. Χρησιμοποιώντας δορυφορικά δεδομένα, η χρήση του νερού των καλλιεργειών μπορεί να μετρηθεί σε μεγαλύτερες χρονικές και χωρικές κλίμακες. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως η άρδευση, η γονιμότητα του εδάφους, ο έλεγχος παρασίτων και ασθενειών και συχνά αυξάνεται από οποιονδήποτε διαχειριστικό παράγοντα που βελτιώνει την παραγωγή των καλλιεργειών, καθώς η εξατμισοδιαπνοή είναι συνήθως λιγότερο αντιδραστική στις αλλαγές αυτών των παραγόντων από την απόδοση. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι απαραίτητη για την κατανόηση της σχέσης μεταξύ νερού και τροφής και οι τιμές της για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι εκτιμήθηκαν χρησιμοποιώντας την εξίσωση (1): 

<center> ''' CWP = y (Yield) /ETa , (1) ''' </center>

όπου, η CWP είναι η Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών (kg/m3 ), το y αντιπροσωπεύει την απόδοση (kg/m2 ), το ETa είναι η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (m3/ha1). Για αυτήν τη μελέτη, η αρδευόμενη περιοχή και οι αποδόσεις σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού ελήφθησαν από το τμήμα υπηρεσιών αναφοράς καλλιεργειών στο Χαϊντεραμπάντ. 

''' 2.3. Σύνολα δεδομένων '''

''' 2.3.1. Δεδομένα καλλιεργειών '''

Τα δεδομένα για τις καλλιέργειες ελήφθησαν από τη στατιστική έκθεση της Σινδ και το τμήμα γεωργίας.

''' 2.3.2. Crop Masks '''

Crop Masks μπορεί να οριστεί ως η χωρική πληροφορία της κατανομής των διαφόρων καλλιεργειών. Crop Masks για το σιτάρι (2013–2014), το βαμβάκι και το ρύζι (2014–2015) αναπτύχθηκαν από τον Οργανισμό Τροφίμων και Γεωργίας και το Υπουργείο Γεωργίας των Ηνωμένων Πολιτειών ως μέρος του έργου «Γεωργικό Πληροφοριακό Σύστημα - Δημιουργία επαρχιακής ικανότητας στο Πακιστάν για την εκτίμηση, την πρόβλεψη και την αναφορά των καλλιεργειών με βάση την ολοκληρωμένη χρήση των δεδομένων τηλεπισκόπησης». Οι δορυφορικές εικόνες SPOT-5 έχουν χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή αυτών των Crop Masks. 

''' 2.3.3. Εξατμισοδιαπνοή Αναφοράς'''

Για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr), υποθέσαμε ότι η γη ήταν καλυμμένη με γρασίδι και υπολογίσαμε την εξατμισοδιαπνοή από αυτό το γρασίδι. Για τη λεκάνη του Ινδού, σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιούνται τιμές εξατμισοδιαπνοής αναφοράς χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Penman–Monteith.

''' 2.3.4. Δεδομένα Τηλεπισκόπησης '''

Οι εικόνες Landsat λαμβάνονται από την πύλη Earth Engine Evapotranspiration Flux (EEFlux), η οποία παρέχει επεξεργασμένες εικόνες Landsat 5 και 8. Βασίζεται στη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερικοποιημένη βαθμονόμηση και η διαδικασία που βασίζεται στην εικόνα Landsat λειτουργεί στο σύστημα Google Earth Engine. Η χρονική ανάλυση είναι 16 ημέρες με χωρική ανάλυση 30 m. Χρησιμοποιώντας την εξίσωση Penman-Monteith για αναφορά της καλλιέργειας μηδικής, το EEFlux περιλαμβάνει σύστημα αφομοίωσης δεδομένων γης της Βόρειας Αμερικής για την εκτίμηση ET (ETr) αναφοράς. Τα έτη 1998, 2017, 2014–2015 και 2016–2017 επιλέχθηκαν με βάση τις χαμηλές και υψηλές ροές που προέκυψαν από τα δεδομένα ροής χρησιμοποιώντας την ανάλυση συχνότητας. 

''' 2.3.5. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Το EEFlux παρέχει βαθμονομημένες εικόνες που αποδίδουν μια τιμή ETr σε κάθε εικονοστοιχείο και η τιμή της πραγματικής ETa εξατμισοδιαπνοής ανά ημέρα υπολογίστηκε πολλαπλασιάζοντας την ETr και την πιθανή εξατμισοδιαπνοή ETo. Εικόνες και μάσκες καλλιέργειας Landsat εξήγαγαν ETr από τις καλλιέργειες σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού. Οι ημερομηνίες αναφοράς του παράγοντα εξατμισοδιαπνοής (ETrf) επιλέχθηκαν από τα Πρότυπα του Τμήματος Άρδευσης της Σίντ και από τη χρονική περίοδο των σταδίων ανάπτυξης της καλλιέργειας από την αρχική έως την ωριμότητα. Ωστόσο, κάθε καλλιέργεια έχει διαφορετικές χρονικές περιόδους ανάπτυξης. Το ETa θεωρείται ως κατάλοιπο του ενεργειακού ισοζυγίου της επιφάνειας. Δίνεται στην Εξίσωση (2).

<center> ''' LE = Rn − H − G, (2) ''' </center>

όπου, LE είναι η λανθάνουσα ροή θερμότητας Rn είναι καθαρή ακτινοβολία G είναι ροή θερμότητας του εδάφους και H είναι αισθητή ροή θερμότητας. Ο ETrF (συντελεστής εξατμισοδιαπνοής αναφοράς) υπολογίστηκε με την Εξίσωση (3) και η σωρευτική ETa για κάθε εποχή υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας την Εξίσωση (4) για διαφορετικές φάσεις ανάπτυξης της καλλιέργειας, συμπεριλαμβανομένων των σταδίων Αρχικής, Ανάπτυξης, Ανθοφορίας και ωριμότητας. Η μέση πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) όλων των σταδίων πολλαπλασιάζοντας τα ETrF και ETr με συγκεκριμένες ημέρες και πάρτε τις μέσες τιμές όλων των pixel. 

<center> ''' ETrF = ETa ETr(Re f erence ET) , (3) ''' </center>

<center> ''' ETseason = ETrFseasonΣ n q ETr−24, (4) ''' </center>

όπου, το ETrf αντιπροσωπεύει το ET αναφοράς για μια συγκεκριμένη περίοδο σταδίου ανάπτυξης. Το ETr−24 είναι ένα ημερήσιο ET αναφοράς για συγκεκριμένο αριθμό ημερών. Το n υποδηλώνει αριθμό ημερών. Τιμές ETr της απαιτούμενης περιοχής εντολής καναλιού. 

''' 2.4. Ημερολόγια καλλιεργειών '''

Το ημερολόγιο καλλιεργειών διαφέρει για διαφορετικές περιοχές αλλά και από καλλιέργεια σε καλλιέργεια, όπως το σιτάρι που καλλιεργείται στο Rabi και το βαμβάκι που καλλιεργείται στο Kharif. Για τον υπολογισμό της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) χρησιμοποιήθηκαν ημερολόγια καλλιέργειας για τις μεσαίες και κατώτερες περιοχές της Σίντ. Οι ημερομηνίες για το μεσαίο και το κάτω μέρος είναι διαφορετικές για τη σπορά και τη συγκομιδή. Το αρχικό στάδιο σποράς στην κάτω Σίντ ξεκινά ένα μήνα νωρίτερα από τη μεσαία Σίντ. Η καλλιέργεια σιταριού της εποχής Rabi ξεκινά τον Οκτώβριο και τον Νοέμβριο, αντίστοιχα, στα κάτω και στα ανώτερα τμήματα της επαρχίας. Αντίθετα, οι καλλιέργειες βαμβακιού και ρυζιού καλλιεργούνται την περίοδο Kharif από τον Απρίλιο. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΕΙΣ '''

''' 3.1. Το ποτάμι ρέει '''

Αξιολογήθηκαν οι ετήσιες εποχιακές ροές. Το εκατοστημόριο υπολογίζεται από αυτό το διάγραμμα ροής, το οποίο ρέει από το φράγμα Sukkur. Τα δεδομένα N Μέγιστης Ετήσιας Απόρριψης παρατίθενται στον παρακάτω πίνακα (για τη μεγαλύτερη κατάταξη ροής M = 1 και τη μικρότερη κατάταξη ροής M = n ή 21 σε αυτήν τη μελέτη). Ωστόσο, η εξίσωση (4α) δείχνει το μέσο διάστημα δύο εκφορτίσεων ίσου (ή μεγαλύτερου) μεγέθους σε χρόνια μεταξύ των εμφανίσεων που είναι γνωστό ως Διάστημα Υποτροπής (RI). 

<center> ''' RI = (Ν + 1)/Μ , (4α) ''' </center>

όπου, RI = Διάστημα υποτροπής, N = Μέγιστη Ετήσια Απόρριψη, Μ = Κατάταξη. Η εξίσωση (4β) μπορεί να ορίσει μια πιθανότητα ενός δεδομένου μεγέθους μιας πλημμύρας κάθε χρόνο.

<center> ''' P = (1/RI)× 100 , (4β) ''' </center>

Η εικόνα 3α δείχνει τα έτη και τις ροές της σεζόν Rabi από το 1998–1999 έως το 2018–2019 του Sukkur Barrage, ενώ οι τάξεις κατανεμήθηκαν και ταξινομήθηκαν σύμφωνα με τις ροές όπως υψηλή, μεσαία και χαμηλή. Η πιθανότητα υπέρβασης (P) έχει υπολογιστεί για την εποχή Rabi κατά την οποία καλλιεργούνται οι καλλιέργειες σιταριού. Υπήρξε υψηλή ροή το 2014–2015 και η μέση ροή καταγράφηκε το 2003–2004. Το έτος 2016-2017 θεωρήθηκε μέσης ροής και το 2001 το 2002 με την τελευταία κατάταξη, που θεωρήθηκε έτος χαμηλής ροής. Η εικόνα 3b παρουσιάζει την ανάλυση συχνότητας των ροών της εποχής Kharif από το 1998 έως το 2017 του φράγματος Sukkur. Οι ροές κατηγοριοποιήθηκαν ως υψηλές, μεσαίες και χαμηλές. Το 2010 Kharif το υγρό έτος λόγω της πλημμύρας του ποταμού, που προκαλεί ζημιές στη Σίντ. Ως εκ τούτου, το 1998 επιλέχθηκε ως το έτος υψηλής ροής (επόμενο υψηλότερο μετά το 2010). Το έτος μέσης ροής ήταν το 2017 και το έτος χαμηλής ροής ήταν το 2004. Σε αυτή τη μελέτη αναλύθηκαν καλλιέργειες ρυζιού και βαμβακιού που καλλιεργήθηκαν την περίοδο Kharif. 

''' 3.2. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Υπολογίστηκε η πραγματική μηνιαία εξατμισοδιαπνοή, η οποία υπολογίζει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας (CWP). Μπορεί να παρατηρηθεί ότι το αρχικό στάδιο έχει το χαμηλότερο ETa, ενώ το στάδιο της ανθοφορίας έχει την υψηλότερη εξατμισοδιαπνοή αφού σε αυτό το στάδιο απαιτείται περισσότερο νερό για την ανάπτυξη των φυτών.

''' 3.2.1. Καλλιέργεια Σιταριού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή έχει υπολογιστεί χρησιμοποιώντας μάσκες καλλιέργειας για τα τέσσερα στάδια: αρχικό, ανάπτυξη της καλλιέργειας, ανθοφορία και ωριμότητα. Η εικόνα 4α απεικονίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της εποχής Rabi της καλλιέργειας σίτου, που υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας το ETrf και το ETr. Το ETa είναι χαμηλό στο αρχικό στάδιο, καθώς είναι το στάδιο της σποράς, ενώ το ETa ήταν υψηλότερο στο στάδιο της ανθοφορίας (2014–2015). Η εικόνα 4β δείχνει την τιμή ETa για την περίοδο 2016–2017, χαμηλότερη από την τιμή για την περίοδο 2014–2015.

''' 3.2.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) ήταν περισσότερο για την καλλιέργεια βαμβακιού παρά για το σιτάρι. Η Εικόνα 5a παρουσιάζει την ETa για την καλλιέργεια βαμβακιού της περιόδου Kharif του 1998 όταν η ροή ήταν υψηλή και η Εικόνα 5β δείχνει την υψηλότερη τιμή ETa για το 2017, υψηλότερη από το 1998. Το 2017 οι ροές ήταν κανονικές/μέτριες. Αυτό δείχνει ότι οι υψηλότερες ροές δεν συνδέονται απαραίτητα με υψηλότερες τιμές ETa. 

''' 3.2.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η εικόνα 6α απεικονίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας ρυζιού το 1998, την υψηλότερη μεταξύ άλλων καλλιεργειών όπως το σιτάρι και το βαμβάκι, καθώς το ρύζι καταναλώνει περισσότερο νερό. Ωστόσο, το ρύζι δεν είναι η κύρια καλλιέργεια της Σίντ. Η εικόνα 6β παρουσιάζει το ETa του Hyderabad, του Badin και του Matiyari για το 2017. Η καλλιέργεια ρυζιού καλλιεργείται στις συνοικίες της Σίντ, ωστόσο, απαγορεύεται στην Κάτω Σίντ λόγω λειψυδρίας. 

''' 3.3. Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών Κύριων Καλλιεργειών '''

''' 3.3.1. Καλλιέργεια Σιταριού (2014-2015 και 2016-2017) '''

Η μέση παγκόσμια CWP σιταριού είναι 0,86 kg/m3 έως 1,80 kg/m3. Υπάρχουν τρεις παγκόσμιες κατηγορίες για CWP σίτου: χαμηλή (<= 0,75 kg/m3), μεσαία (> 0,75 kg/m3 έως < 1,10 kg/m3) και υψηλή (>= 1,10 kg/m3). Για το Πακιστάν, η μέση CWP είναι 0,80 kg/m3 έως 0,91 kg/m3, η οποία εμπίπτει στη μεσαία κατηγορία. Υπήρξε υψηλότερη ροή το 2014-2015, ενώ το 2016-2017 ήταν μέτρια. Η μέση CWP για την καλλιέργεια σίτου ήταν 1,03 kg/m3 σε 2014–2015 και 1,02 kg/m3 το 2016-2017. Συνολικά, η CWP της καλλιέργειας σιταριού είναι κάτω από το αναφερόμενο εύρος, δηλαδή μεταξύ 0,32 kg/m3 έως 1,08 kg/m3. Λόγω της υπερχείλισης, της αλατότητας, των συνθηκών του εδάφους και της έλλειψης διαθεσιμότητας υπόγειων υδάτων, το CWP της Σινδ είναι μικρότερη από το Παντζάμπ. Η απόδοση σιταριού της Σινδ είναι 33% μικρότερη από την απόδοση σιταριού του Παντζάμπ.

''' 3.3.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η Εικόνα 8 αντιπροσωπεύει το CWP του βαμβακιού για την εποχή Kharif (1998 και 2017). Για τα έτη αυτά, οι τιμές CWP της καλλιέργειας βαμβακιού ήταν σταθερές. Οι μέσες CWP της περιοχής μελέτης των καλλιεργειών βαμβακιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,12 kg/m3 και 0,16 kg/m3,αντίστοιχα. Οι μέσες τιμές CWP για το βαμβάκι ήταν 0,22 kg/m3 και 0,26 kg/m3. Η χαμηλότερη CWP του Badin οφείλεται στην κακή ποιότητα της εικόνας, έτσι, έγινε δύσκολος ο υπολογισμός της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής και εφαρμόστηκαν διορθώσεις στο σύννεφο όπου η κάλυψη του νέφους ήταν περίπου 50%. 

''' 3.3.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η Εικόνα 9 δείχνει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας του ρυζιού που καλλιεργείται στην περιοχή μελέτης. Οι περισσότερες από τις καλλιέργειες που επιλέχθηκαν σε αυτή τη μελέτη είναι κύριες καλλιέργειες, εκτός από το ρύζι. Το ρύζι είναι μια από τις άλλες καλλιέργειες που η κυβέρνηση της Σινδ απαγόρευσε λόγω της έλλειψης νερού,ωστόσο, το ρύζι καλλιεργήθηκε το 1998 σε όλη τη Σινδ. Συνολικά, οι μέσες τιμές CWP ρυζιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,32 kg/m3 και 0,54 kg/m3, αντίστοιχα. Δεδομένου ότι το ρύζι δεν απαγορεύτηκε το 1998 στην περιοχή μελέτης, το νερό για άλλες καλλιέργειες χρησιμοποιήθηκε για το ρύζι. Οι άλλες καλλιέργειες πήραν αρκετό νερό μετά τη διακοπή της καλλιέργειας ρυζιού.

''' 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Αυτή η μελέτη υπολόγισε την παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών (CWP) του σιταριού, του βαμβακιού και του ρυζιού του Καναλιού Rohri, χρησιμοποιώντας δεδομένα τηλεπισκόπησης στο περιβάλλον GIS. Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή υπολογίστηκε για τις εννέα περιοχές για δύο εποχές Rabi (2014 -2015 και 2016–2017) και δύο εποχές Kharif (1998 και 2017). Τα έτη επιλέχθηκαν με βάση τις υψηλές και μέτριες ροές που περνούσαν από το φράγμα Sukkur. Το ETa ήταν υψηλότερο στην καλλιέργεια ρυζιού, ενώ ήταν μικρότερο από την καλλιέργεια βαμβακιού για την καλλιέργεια σιταριού, καθώς το ETa εξαρτάται από τον τύπο της καλλιέργειας, διότι ορισμένες καλλιέργειες χρειάζονται περισσότερο νερό από άλλες. Τα αποτελέσματα της μελέτης συνόψισαν ότι η εκτίμηση του πραγματικού ET είναι ζωτικής σημασίας για τη διαχείριση του νερού άρδευσης και των συνθηκών καταπόνησης των καλλιεργειών. Αυτή η χρήση του μοντέλου EEFlux για τη λήψη εικόνων ETrf είναι εφικτή για την επεξεργασία τους με ελάχιστη προσπάθεια. Η μέση CWP της καλλιέργειας σιταριού για την περίοδο 2014–2015 και 2016–2017 ήταν, αντίστοιχα, 1,03 kg/m3 και 1,02 kg/m3, ενώ η CWP αυξήθηκε το έτος 2014–2015 σε σύγκριση με το 2016–2017. Υπάρχει περιορισμός δεδομένων σε τρεις περιφέρειες (Matiyari, Tando Allahyar και Tando Muhammad Khan) σχετικά με την περιοχή καλλιέργειας και την παραγωγή βαμβακιού και ρυζιού το 1998, επομένως, υπολογίστηκε η μέσα CWP βαμβακιού και ρυζιού μόνο για έξι περιοχές. Το 1998, συνολικά, η CWP αυξήθηκε και για τις δύο καλλιέργειες, ωστόσο, το ρύζι έχει απαγορευτεί από την κυβέρνηση της Σίντ στην επαρχία Σιντ λόγω της έλλειψης νερού. Το ρύζι παίρνει περισσότερο νερό από άλλες καλλιέργειες και το εξοικονομημένο νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οικιακούς και βιομηχανικούς σκοπούς. Η CWP επηρεάζεται από γεωργικές πρακτικές που περιλαμβάνουν προετοιμασία γης, μεθόδους σποράς, ποιότητα σπόρων και εδάφους, εφαρμογή νερού και λιπασμάτων και έλεγχο ζιζανίων και παρασίτων. Η προτεινόμενη προσέγγιση είναι αρκετά εφικτή και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διαφορετικές περιοχές με διάφορες καλλιέργειες, ενώ προωθούνται τεχνικές τηλεπισκόπησης για την αποτελεσματική διαχείριση της φυτικής παραγωγής. 

[[category:Υδατικοί Πόροι]]
[[category:Γεωργία]]

Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών χρησιμοποιώντας GIS και τεχνικές τηλεπισκόπησης

2024-02-16T10:41:02Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Estimation of Crop Water Productivity Using GIS and Remote Sensing Techniques''

'''Συγγραφείς: ''' Zenobia Talpur, Arjumand Z. Zaidi, Suhail Ahmed, Tarekegn Dejen Mengistu, Si-Jung Choi, Il-Moon Chung

'''Δημοσιεύθηκε: '''''Sustainability 2023, 15, 11154. https://doi.org/10.3390/su151411154 ''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Γεωργία, υδατικοί πόροι, αρδευτικό σύστημα

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών στην περιοχή της Σινδ '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_G_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Θέση της περιοχής μελέτης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Τύποι και πηγές δεδομένων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' (a) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Rabi, (b) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Kharif , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2014–2015), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2016–2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (2017), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας σιταριού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας βαμβακιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας ρυζιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

Ο αγροτικός τομέας καταναλώνει το 90% του παγκόσμιου νερού, από το οποίο το 40% των καλλιεργειών παράγεται μέσω του συστήματος άρδευσης. Η μη βιώσιμη γεωργία δεν μπορεί να επιτύχει τις διατροφικές απαιτήσεις για τον αυξανόμενο πληθυσμό και ο αγροτικός τομέας αντιμετωπίζει προκλήσεις χαμηλής παραγωγικότητας νερού των καλλιεργειών, έτσι η χρήση του νερού πρέπει να βελτιστοποιηθεί για να παράγει περισσότερα τρόφιμα. Ο αγροτικός τομέας του Πακιστάν συνεισφέρει το 24% της Ακαθάριστης Εγχώριας Παραγωγής και απασχολεί το 45% του συνολικού εργατικού δυναμικού του. Το Πακιστάν έχει δύο κύριες περιόδους καλλιέργειας - Rabi and Kharif. Η καλλιέργεια Kharif εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ποσότητα και την κατανομή των βροχοπτώσεων, ειδικά κατά την περίοδο των μουσώνων. Το σύστημα καναλιών του ποταμού Ινδού υποστηρίζει κυρίως τη γεωργία. Το φράγμα Sukkur είναι το παλαιότερο από αυτά. Πριν από το φράγμα Sukkur, χτίστηκε το κανάλι Rohri μήκους 350 χιλιομέτρων, ένα από τα παλαιότερα κανάλια, το οποίο ποτίζει αγροκτήματα στην αριστερή όχθη του ποταμού Ινδού κάτω από το φράγμα Sukkur και περίπου 2,9 εκατομμύρια στρέμματα γεωργικής γης αντλούν νερό από αυτό σε εννέα περιοχές. Επίσης, ποτίζει εδάφη μέχρι την παράκτια περιοχή της Σινδ για οπωρώνες και περιοχές όπου καλλιεργούνται καλλιέργειες όπως το ζαχαροκάλαμο, το βαμβάκι και το σιτάρι. Η φθίνουσα διαθεσιμότητα νερού στο Πακιστάν είναι ανησυχητική, λόγω της ταχείας αστικοποίησης και εκβιομηχάνισης τα τελευταία πενήντα χρόνια. Εκτός από τον ποταμό Ινδό, άλλοι υδατικοί πόροι στο Πακιστάν είναι τα υπόγεια ύδατα και η βροχόπτωση. Ωστόσο, τα υπόγεια ύδατα εξαντλούνται με τεράστιο ρυθμό λόγω της εκτεταμένης υπερεκμετάλλευσης. Η ανάγκη για άρδευση έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία 20 χρόνια λόγω της επέκτασης της περιοχής καλλιέργειας. Η παροχή νερού ήταν μικρότερη από το 26% των απαιτήσεων σε νερό των καλλιεργειών το καλοκαίρι του 2012, ενώ το χειμώνα, ήταν περίπου 20% πλεόνασμα. Ο ποταμός Ινδός έχει παραγωγικότητα 54%, ενώ η παραγωγικότητα του αρδευτικού συστήματος της Σινδ είναι μόλις 35%. Το κύριο πρόβλημα διαχείρισης του νερού είναι η έλλειψη νερού στις αρχές της περιόδου που ακολουθείται από υπερβολικό νερό με την έναρξη των μουσώνων. Οι αρχές της αποδοτικότητας του νερού βοηθούν στην αξιολόγηση της τρέχουσας παραγωγής και στη διερεύνηση στρατηγικών για την εξοικονόμηση πραγματικού νερού από τα χωράφια στις λεκάνες απορροής. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι η ιδέα να αξιοποιήσετε στο έπακρο τις καλλιέργειες, τα ζώα και άλλα πράγματα, ενώ χρησιμοποιείτε τη λιγότερη δυνατή ποσότητα νερού. Τα δεδομένα σχετικά με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται από τις καλλιέργειες πρέπει να λαμβάνονται ως προαπαιτούμενο πριν από τη χρήση αυτής της στρατηγικής. Η χρήση τιμών εξατμισοδιαπνοής (ET) για την επίλυση απλών εξισώσεων για τον προσδιορισμό της ποσότητας του νερού που καταναλώνεται μπορεί, επομένως, να είναι μια λύση σε αυτό το χρονικά περιορισμένο πρόβλημα. Οι πραγματικές μετρήσεις εξατμισοδιαπνοής (ETa) λαμβάνονται από δορυφορικές φωτογραφίες για επεξεργασία. Αυτή η μελέτη αναλύει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) και τη παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών σιταριού, ρυζιού και βαμβακιού σε εννέα περιοχές της Σινδ εντός της περιοχής διοίκησης του Καναλιού Rohri και θα βοηθήσει στον εντοπισμό περιοχών υψηλών γεωργικών επιδόσεων και θα παρέχει πληροφορίες για τη διαχείριση του συστήματος άρδευσης, οδηγώντας σε βιώσιμη παραγωγικότητα του νερού. Η τηλεπισκόπηση παρέχει μεγάλης κλίμακας δεδομένα εξατμισοδιαπνοής. Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε μια ισχυρή πύλη δεδομένων που βασίζεται στην τηλεπισκόπηση — ροή εξατμισοδιαπνοής του Google Earth Engine (EEFlux) που βασίζεται στη «Χαρτογράφηση εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερική βαθμονόμηση (METRIC)». Αυτός ο ιστότοπος δεδομένων έχει μεγάλες δυνατότητες εκτίμησης του ETa. Το METRIC είναι μια τροποποιημένη έκδοση του «Αλγόριθμου Επιφανειακής Εξισορρόπησης Ενέργειας για Γη (SEBAL), που χρησιμοποιείται στις μέρες μας για τη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής. Το METRIC απαιτεί χειροκίνητες επιλογές εικονοστοιχείων, επομένως έχουν αναπτυχθεί μοντέλα αυτόματης βαθμονόμησης λόγω αβεβαιότητας που μπορεί να προκύψει κατά τη βαθμονόμησή του με διαφορετικούς χρήστες. Τα αυτόματα μοντέλα απαιτούν επίσης τεράστια προεπεξεργασία, όπως η συναρμολόγηση διαφόρων στρωμάτων, το τοπικό κλίμα, τα δορυφορικά δεδομένα, οι χρήσεις γης/κάλυψη, οι χάρτες εδάφους και η εισαγωγή δεδομένων. Το EEFlux όχι μόνο παρέχει έναν αυτόματο μηχανισμό εισαγωγής δεδομένων, αλλά συνδέεται επίσης με το Google Earth Engine (GEE) με τον αλγόριθμο METRIC και παρέχει χάρτες για το Landsat 5, 7, ή 8. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν εικόνες Landsat 5 και 8. 

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Περιγραφή της Περιοχής Μελέτης '''

Το κανάλι Rohri είναι ένα κύριο συστατικό του γεωργικού τομέα στη Σινδ και είναι ένα τεχνητό κανάλι χτισμένο στο φράγμα Sukkur με 2,6 εκατομμύρια στρέμματα για άρδευση. Η περιοχή διοίκησης του καναλιού Rohri καλύπτει και παρέχει νερό σε μεγάλα τμήματα των εννέα περιοχών της Σινδ και βρίσκεται σε θερμό κλίμα με ετήσια βροχόπτωση που δεν υπερβαίνει τα 200 mm και ελάχιστη θερμοκρασία 18 ◦C. Οι κύριες καλλιέργειες που παράγονται σε αυτές τις περιοχές είναι το βαμβάκι και το σιτάρι. Το ρύζι καλλιεργείται επίσης σε αυτήν την περιοχή, αλλά δεν συγκαταλέγεται στις κύριες καλλιέργειες. 

''' 2.2. Μεθοδολογία '''

Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών ορίζεται ως η αναλογία της απόδοσης της καλλιέργειας διαιρούμενη με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται για την παραγωγή της και υπολογίστηκε για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι για τη περίοδο Kharif (1998 και 2017) και Rabi (2014–2015 και 2016–2017). Μετρήθηκε σε kg/m3 και οι χρήσεις του νερού των καλλιεργειών, ή ETa, υπολογίζονται από δεδομένα τηλεπισκόπησης. Χρησιμοποιώντας δορυφορικά δεδομένα, η χρήση του νερού των καλλιεργειών μπορεί να μετρηθεί σε μεγαλύτερες χρονικές και χωρικές κλίμακες. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως η άρδευση, η γονιμότητα του εδάφους, ο έλεγχος παρασίτων και ασθενειών και συχνά αυξάνεται από οποιονδήποτε διαχειριστικό παράγοντα που βελτιώνει την παραγωγή των καλλιεργειών, καθώς η εξατμισοδιαπνοή είναι συνήθως λιγότερο αντιδραστική στις αλλαγές αυτών των παραγόντων από την απόδοση. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι απαραίτητη για την κατανόηση της σχέσης μεταξύ νερού και τροφής και οι τιμές της για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι εκτιμήθηκαν χρησιμοποιώντας την εξίσωση (1): 

<center> ''' CWP = y (Yield) /ETa , (1) ''' </center>

όπου, η CWP είναι η Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών (kg/m3 ), το y αντιπροσωπεύει την απόδοση (kg/m2 ), το ETa είναι η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (m3/ha1). Για αυτήν τη μελέτη, η αρδευόμενη περιοχή και οι αποδόσεις σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού ελήφθησαν από το τμήμα υπηρεσιών αναφοράς καλλιεργειών στο Χαϊντεραμπάντ. 

''' 2.3. Σύνολα δεδομένων '''

''' 2.3.1. Δεδομένα καλλιεργειών '''

Τα δεδομένα για τις καλλιέργειες ελήφθησαν από τη στατιστική έκθεση της Σινδ και το τμήμα γεωργίας.

''' 2.3.2. Crop Masks '''

Crop Masks μπορεί να οριστεί ως η χωρική πληροφορία της κατανομής των διαφόρων καλλιεργειών. Crop Masks για το σιτάρι (2013–2014), το βαμβάκι και το ρύζι (2014–2015) αναπτύχθηκαν από τον Οργανισμό Τροφίμων και Γεωργίας και το Υπουργείο Γεωργίας των Ηνωμένων Πολιτειών ως μέρος του έργου «Γεωργικό Πληροφοριακό Σύστημα - Δημιουργία επαρχιακής ικανότητας στο Πακιστάν για την εκτίμηση, την πρόβλεψη και την αναφορά των καλλιεργειών με βάση την ολοκληρωμένη χρήση των δεδομένων τηλεπισκόπησης». Οι δορυφορικές εικόνες SPOT-5 έχουν χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή αυτών των Crop Masks. 

''' 2.3.3. Αναφορά Εξατμισοδιαπνοή '''

Για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr), υποθέσαμε ότι η γη ήταν καλυμμένη με γρασίδι και υπολογίσαμε την εξατμισοδιαπνοή από αυτό το γρασίδι. Για τη λεκάνη του Ινδού, σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιούνται τιμές αναφοράς εξατμισοδιαπνοής χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Penman–Monteith.

''' 2.3.4. Δεδομένα Τηλεπισκόπησης '''

Οι εικόνες Landsat λαμβάνονται από την πύλη Earth Engine Evapotranspiration Flux (EEFlux), η οποία παρέχει επεξεργασμένες εικόνες Landsat 5 και 8. Βασίζεται στη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερικοποιημένη βαθμονόμηση και η διαδικασία που βασίζεται στην εικόνα Landsat λειτουργεί στο σύστημα Google Earth Engine. Η χρονική ανάλυση είναι 16 ημέρες με χωρική ανάλυση 30 m. Χρησιμοποιώντας την εξίσωση Penman-Monteith για αναφορά της καλλιέργειας μηδικής, το EEFlux περιλαμβάνει σύστημα αφομοίωσης δεδομένων γης της Βόρειας Αμερικής για την εκτίμηση ET (ETr) αναφοράς. Τα έτη 1998, 2017, 2014–2015 και 2016–2017 επιλέχθηκαν με βάση τις χαμηλές και υψηλές ροές που προέκυψαν από τα δεδομένα ροής χρησιμοποιώντας την ανάλυση συχνότητας. 

''' 2.3.5. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Το EEFlux παρέχει βαθμονομημένες εικόνες που αποδίδουν μια τιμή ETr σε κάθε εικονοστοιχείο και η τιμή της πραγματικής ETa εξατμισοδιαπνοής ανά ημέρα υπολογίστηκε πολλαπλασιάζοντας την ETr και την πιθανή εξατμισοδιαπνοή ETo. Εικόνες και μάσκες καλλιέργειας Landsat εξήγαγαν ETr από τις καλλιέργειες σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού. Οι ημερομηνίες αναφοράς του παράγοντα εξατμισοδιαπνοής (ETrf) επιλέχθηκαν από τα Πρότυπα του Τμήματος Άρδευσης της Σίντ και από τη χρονική περίοδο των σταδίων ανάπτυξης της καλλιέργειας από την αρχική έως την ωριμότητα. Ωστόσο, κάθε καλλιέργεια έχει διαφορετικές χρονικές περιόδους ανάπτυξης. Το ETa θεωρείται ως κατάλοιπο του ενεργειακού ισοζυγίου της επιφάνειας. Δίνεται στην Εξίσωση (2).

<center> ''' LE = Rn − H − G, (2) ''' </center>

όπου, LE είναι η λανθάνουσα ροή θερμότητας Rn είναι καθαρή ακτινοβολία G είναι ροή θερμότητας του εδάφους και H είναι αισθητή ροή θερμότητας. Ο ETrF (συντελεστής εξατμισοδιαπνοής αναφοράς) υπολογίστηκε με την Εξίσωση (3) και η σωρευτική ETa για κάθε εποχή υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας την Εξίσωση (4) για διαφορετικές φάσεις ανάπτυξης της καλλιέργειας, συμπεριλαμβανομένων των σταδίων Αρχικής, Ανάπτυξης, Ανθοφορίας και ωριμότητας. Η μέση πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) όλων των σταδίων πολλαπλασιάζοντας τα ETrF και ETr με συγκεκριμένες ημέρες και πάρτε τις μέσες τιμές όλων των pixel. 

<center> ''' ETrF = ETa ETr(Re f erence ET) , (3) ''' </center>

<center> ''' ETseason = ETrFseasonΣ n q ETr−24, (4) ''' </center>

όπου, το ETrf αντιπροσωπεύει το ET αναφοράς για μια συγκεκριμένη περίοδο σταδίου ανάπτυξης. Το ETr−24 είναι ένα ημερήσιο ET αναφοράς για συγκεκριμένο αριθμό ημερών. Το n υποδηλώνει αριθμό ημερών. Τιμές ETr της απαιτούμενης περιοχής εντολής καναλιού. 

''' 2.4. Ημερολόγια καλλιεργειών '''

Το ημερολόγιο καλλιεργειών διαφέρει για διαφορετικές περιοχές αλλά και από καλλιέργεια σε καλλιέργεια, όπως το σιτάρι που καλλιεργείται στο Rabi και το βαμβάκι που καλλιεργείται στο Kharif. Για τον υπολογισμό της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) χρησιμοποιήθηκαν ημερολόγια καλλιέργειας για τις μεσαίες και κατώτερες περιοχές της Σίντ. Οι ημερομηνίες για το μεσαίο και το κάτω μέρος είναι διαφορετικές για τη σπορά και τη συγκομιδή. Το αρχικό στάδιο σποράς στην κάτω Σίντ ξεκινά ένα μήνα νωρίτερα από τη μεσαία Σίντ. Η καλλιέργεια σιταριού της εποχής Rabi ξεκινά τον Οκτώβριο και τον Νοέμβριο, αντίστοιχα, στα κάτω και στα ανώτερα τμήματα της επαρχίας. Αντίθετα, οι καλλιέργειες βαμβακιού και ρυζιού καλλιεργούνται την περίοδο Kharif από τον Απρίλιο. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΕΙΣ '''

''' 3.1. Το ποτάμι ρέει '''

Αξιολογήθηκαν οι ετήσιες εποχιακές ροές. Το εκατοστημόριο υπολογίζεται από αυτό το διάγραμμα ροής, το οποίο ρέει από το φράγμα Sukkur. Τα δεδομένα N Μέγιστης Ετήσιας Απόρριψης παρατίθενται στον παρακάτω πίνακα (για τη μεγαλύτερη κατάταξη ροής M = 1 και τη μικρότερη κατάταξη ροής M = n ή 21 σε αυτήν τη μελέτη). Ωστόσο, η εξίσωση (4α) δείχνει το μέσο διάστημα δύο εκφορτίσεων ίσου (ή μεγαλύτερου) μεγέθους σε χρόνια μεταξύ των εμφανίσεων που είναι γνωστό ως Διάστημα Υποτροπής (RI). 

<center> ''' RI = (Ν + 1)/Μ , (4α) ''' </center>

όπου, RI = Διάστημα υποτροπής, N = Μέγιστη Ετήσια Απόρριψη, Μ = Κατάταξη. Η εξίσωση (4β) μπορεί να ορίσει μια πιθανότητα ενός δεδομένου μεγέθους μιας πλημμύρας κάθε χρόνο.

<center> ''' P = (1/RI)× 100 , (4β) ''' </center>

Η εικόνα 3α δείχνει τα έτη και τις ροές της σεζόν Rabi από το 1998–1999 έως το 2018–2019 του Sukkur Barrage, ενώ οι τάξεις κατανεμήθηκαν και ταξινομήθηκαν σύμφωνα με τις ροές όπως υψηλή, μεσαία και χαμηλή. Η πιθανότητα υπέρβασης (P) έχει υπολογιστεί για την εποχή Rabi κατά την οποία καλλιεργούνται οι καλλιέργειες σιταριού. Υπήρξε υψηλή ροή το 2014–2015 και η μέση ροή καταγράφηκε το 2003–2004. Το έτος 2016-2017 θεωρήθηκε μέσης ροής και το 2001 το 2002 με την τελευταία κατάταξη, που θεωρήθηκε έτος χαμηλής ροής. Η εικόνα 3b παρουσιάζει την ανάλυση συχνότητας των ροών της εποχής Kharif από το 1998 έως το 2017 του φράγματος Sukkur. Οι ροές κατηγοριοποιήθηκαν ως υψηλές, μεσαίες και χαμηλές. Το 2010 Kharif το υγρό έτος λόγω της πλημμύρας του ποταμού, που προκαλεί ζημιές στη Σίντ. Ως εκ τούτου, το 1998 επιλέχθηκε ως το έτος υψηλής ροής (επόμενο υψηλότερο μετά το 2010). Το έτος μέσης ροής ήταν το 2017 και το έτος χαμηλής ροής ήταν το 2004. Σε αυτή τη μελέτη αναλύθηκαν καλλιέργειες ρυζιού και βαμβακιού που καλλιεργήθηκαν την περίοδο Kharif. 

''' 3.2. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Υπολογίστηκε η πραγματική μηνιαία εξατμισοδιαπνοή, η οποία υπολογίζει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας (CWP). Μπορεί να παρατηρηθεί ότι το αρχικό στάδιο έχει το χαμηλότερο ETa, ενώ το στάδιο της ανθοφορίας έχει την υψηλότερη εξατμισοδιαπνοή αφού σε αυτό το στάδιο απαιτείται περισσότερο νερό για την ανάπτυξη των φυτών.

''' 3.2.1. Καλλιέργεια Σιταριού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή έχει υπολογιστεί χρησιμοποιώντας μάσκες καλλιέργειας για τα τέσσερα στάδια: αρχικό, ανάπτυξη της καλλιέργειας, ανθοφορία και ωριμότητα. Η εικόνα 4α απεικονίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της εποχής Rabi της καλλιέργειας σίτου, που υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας το ETrf και το ETr. Το ETa είναι χαμηλό στο αρχικό στάδιο, καθώς είναι το στάδιο της σποράς, ενώ το ETa ήταν υψηλότερο στο στάδιο της ανθοφορίας (2014–2015). Η εικόνα 4β δείχνει την τιμή ETa για την περίοδο 2016–2017, χαμηλότερη από την τιμή για την περίοδο 2014–2015.

''' 3.2.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) ήταν περισσότερο για την καλλιέργεια βαμβακιού παρά για το σιτάρι. Η Εικόνα 5a παρουσιάζει την ETa για την καλλιέργεια βαμβακιού της περιόδου Kharif του 1998 όταν η ροή ήταν υψηλή και η Εικόνα 5β δείχνει την υψηλότερη τιμή ETa για το 2017, υψηλότερη από το 1998. Το 2017 οι ροές ήταν κανονικές/μέτριες. Αυτό δείχνει ότι οι υψηλότερες ροές δεν συνδέονται απαραίτητα με υψηλότερες τιμές ETa. 

''' 3.2.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η εικόνα 6α απεικονίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας ρυζιού το 1998, την υψηλότερη μεταξύ άλλων καλλιεργειών όπως το σιτάρι και το βαμβάκι, καθώς το ρύζι καταναλώνει περισσότερο νερό. Ωστόσο, το ρύζι δεν είναι η κύρια καλλιέργεια της Σίντ. Η εικόνα 6β παρουσιάζει το ETa του Hyderabad, του Badin και του Matiyari για το 2017. Η καλλιέργεια ρυζιού καλλιεργείται στις συνοικίες της Σίντ, ωστόσο, απαγορεύεται στην Κάτω Σίντ λόγω λειψυδρίας. 

''' 3.3. Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών Κύριων Καλλιεργειών '''

''' 3.3.1. Καλλιέργεια Σιταριού (2014-2015 και 2016-2017) '''

Η μέση παγκόσμια CWP σιταριού είναι 0,86 kg/m3 έως 1,80 kg/m3. Υπάρχουν τρεις παγκόσμιες κατηγορίες για CWP σίτου: χαμηλή (<= 0,75 kg/m3), μεσαία (> 0,75 kg/m3 έως < 1,10 kg/m3) και υψηλή (>= 1,10 kg/m3). Για το Πακιστάν, η μέση CWP είναι 0,80 kg/m3 έως 0,91 kg/m3, η οποία εμπίπτει στη μεσαία κατηγορία. Υπήρξε υψηλότερη ροή το 2014-2015, ενώ το 2016-2017 ήταν μέτρια. Η μέση CWP για την καλλιέργεια σίτου ήταν 1,03 kg/m3 σε 2014–2015 και 1,02 kg/m3 το 2016-2017. Συνολικά, η CWP της καλλιέργειας σιταριού είναι κάτω από το αναφερόμενο εύρος, δηλαδή μεταξύ 0,32 kg/m3 έως 1,08 kg/m3. Λόγω της υπερχείλισης, της αλατότητας, των συνθηκών του εδάφους και της έλλειψης διαθεσιμότητας υπόγειων υδάτων, το CWP της Σινδ είναι μικρότερη από το Παντζάμπ. Η απόδοση σιταριού της Σινδ είναι 33% μικρότερη από την απόδοση σιταριού του Παντζάμπ.

''' 3.3.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η Εικόνα 8 αντιπροσωπεύει το CWP του βαμβακιού για την εποχή Kharif (1998 και 2017). Για τα έτη αυτά, οι τιμές CWP της καλλιέργειας βαμβακιού ήταν σταθερές. Οι μέσες CWP της περιοχής μελέτης των καλλιεργειών βαμβακιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,12 kg/m3 και 0,16 kg/m3,αντίστοιχα. Οι μέσες τιμές CWP για το βαμβάκι ήταν 0,22 kg/m3 και 0,26 kg/m3. Η χαμηλότερη CWP του Badin οφείλεται στην κακή ποιότητα της εικόνας, έτσι, έγινε δύσκολος ο υπολογισμός της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής και εφαρμόστηκαν διορθώσεις στο σύννεφο όπου η κάλυψη του νέφους ήταν περίπου 50%. 

''' 3.3.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η Εικόνα 9 δείχνει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας του ρυζιού που καλλιεργείται στην περιοχή μελέτης. Οι περισσότερες από τις καλλιέργειες που επιλέχθηκαν σε αυτή τη μελέτη είναι κύριες καλλιέργειες, εκτός από το ρύζι. Το ρύζι είναι μια από τις άλλες καλλιέργειες που η κυβέρνηση της Σινδ απαγόρευσε λόγω της έλλειψης νερού,ωστόσο, το ρύζι καλλιεργήθηκε το 1998 σε όλη τη Σινδ. Συνολικά, οι μέσες τιμές CWP ρυζιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,32 kg/m3 και 0,54 kg/m3, αντίστοιχα. Δεδομένου ότι το ρύζι δεν απαγορεύτηκε το 1998 στην περιοχή μελέτης, το νερό για άλλες καλλιέργειες χρησιμοποιήθηκε για το ρύζι. Οι άλλες καλλιέργειες πήραν αρκετό νερό μετά τη διακοπή της καλλιέργειας ρυζιού.

''' 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Αυτή η μελέτη υπολόγισε την παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών (CWP) του σιταριού, του βαμβακιού και του ρυζιού του Καναλιού Rohri, χρησιμοποιώντας δεδομένα τηλεπισκόπησης στο περιβάλλον GIS. Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή υπολογίστηκε για τις εννέα περιοχές για δύο εποχές Rabi (2014 -2015 και 2016–2017) και δύο εποχές Kharif (1998 και 2017). Τα έτη επιλέχθηκαν με βάση τις υψηλές και μέτριες ροές που περνούσαν από το φράγμα Sukkur. Το ETa ήταν υψηλότερο στην καλλιέργεια ρυζιού, ενώ ήταν μικρότερο από την καλλιέργεια βαμβακιού για την καλλιέργεια σιταριού, καθώς το ETa εξαρτάται από τον τύπο της καλλιέργειας, διότι ορισμένες καλλιέργειες χρειάζονται περισσότερο νερό από άλλες. Τα αποτελέσματα της μελέτης συνόψισαν ότι η εκτίμηση του πραγματικού ET είναι ζωτικής σημασίας για τη διαχείριση του νερού άρδευσης και των συνθηκών καταπόνησης των καλλιεργειών. Αυτή η χρήση του μοντέλου EEFlux για τη λήψη εικόνων ETrf είναι εφικτή για την επεξεργασία τους με ελάχιστη προσπάθεια. Η μέση CWP της καλλιέργειας σιταριού για την περίοδο 2014–2015 και 2016–2017 ήταν, αντίστοιχα, 1,03 kg/m3 και 1,02 kg/m3, ενώ η CWP αυξήθηκε το έτος 2014–2015 σε σύγκριση με το 2016–2017. Υπάρχει περιορισμός δεδομένων σε τρεις περιφέρειες (Matiyari, Tando Allahyar και Tando Muhammad Khan) σχετικά με την περιοχή καλλιέργειας και την παραγωγή βαμβακιού και ρυζιού το 1998, επομένως, υπολογίστηκε η μέσα CWP βαμβακιού και ρυζιού μόνο για έξι περιοχές. Το 1998, συνολικά, η CWP αυξήθηκε και για τις δύο καλλιέργειες, ωστόσο, το ρύζι έχει απαγορευτεί από την κυβέρνηση της Σίντ στην επαρχία Σιντ λόγω της έλλειψης νερού. Το ρύζι παίρνει περισσότερο νερό από άλλες καλλιέργειες και το εξοικονομημένο νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οικιακούς και βιομηχανικούς σκοπούς. Η CWP επηρεάζεται από γεωργικές πρακτικές που περιλαμβάνουν προετοιμασία γης, μεθόδους σποράς, ποιότητα σπόρων και εδάφους, εφαρμογή νερού και λιπασμάτων και έλεγχο ζιζανίων και παρασίτων. Η προτεινόμενη προσέγγιση είναι αρκετά εφικτή και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διαφορετικές περιοχές με διάφορες καλλιέργειες, ενώ προωθούνται τεχνικές τηλεπισκόπησης για την αποτελεσματική διαχείριση της φυτικής παραγωγής. 

[[category:Υδατικοί Πόροι]]
[[category:Γεωργία]]

Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών χρησιμοποιώντας GIS και τεχνικές τηλεπισκόπησης

2024-02-16T10:39:17Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Estimation of Crop Water Productivity Using GIS and Remote Sensing Techniques''

'''Συγγραφείς: ''' Zenobia Talpur, Arjumand Z. Zaidi, Suhail Ahmed, Tarekegn Dejen Mengistu, Si-Jung Choi, Il-Moon Chung

'''Δημοσιεύθηκε: '''''Sustainability 2023, 15, 11154. https://doi.org/10.3390/su151411154 ''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Γεωργία, υδατικοί πόροι, αρδευτικό σύστημα

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών στην περιοχή της Σινδ '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_G_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Θέση της περιοχής μελέτης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Τύποι και πηγές δεδομένων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' (a) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Rabi, (b) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Kharif , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2014–2015), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2016–2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (2017), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας σιταριού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας βαμβακιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας ρυζιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

Ο αγροτικός τομέας καταναλώνει το 90% του παγκόσμιου νερού, από το οποίο το 40% των καλλιεργειών παράγεται μέσω του συστήματος άρδευσης. Η μη βιώσιμη γεωργία δεν μπορεί να επιτύχει τις διατροφικές απαιτήσεις για τον αυξανόμενο πληθυσμό και ο αγροτικός τομέας αντιμετωπίζει προκλήσεις χαμηλής παραγωγικότητας νερού των καλλιεργειών, έτσι η χρήση του νερού πρέπει να βελτιστοποιηθεί για να παράγει περισσότερα τρόφιμα. Ο αγροτικός τομέας του Πακιστάν συνεισφέρει το 24% της Ακαθάριστης Εγχώριας Παραγωγής και απασχολεί το 45% του συνολικού εργατικού δυναμικού του. Το Πακιστάν έχει δύο κύριες περιόδους καλλιέργειας - Rabi and Kharif. Η καλλιέργεια Kharif εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ποσότητα και την κατανομή των βροχοπτώσεων, ειδικά κατά την περίοδο των μουσώνων. Το σύστημα καναλιών του ποταμού Ινδού υποστηρίζει κυρίως τη γεωργία. Το φράγμα Sukkur είναι το παλαιότερο από αυτά. Πριν από το φράγμα Sukkur, χτίστηκε το κανάλι Rohri μήκους 350 χιλιομέτρων, ένα από τα παλαιότερα κανάλια, το οποίο ποτίζει αγροκτήματα στην αριστερή όχθη του ποταμού Ινδού κάτω από το φράγμα Sukkur και περίπου 2,9 εκατομμύρια στρέμματα γεωργικής γης αντλούν νερό από αυτό σε εννέα περιοχές. Επίσης, ποτίζει εδάφη μέχρι την παράκτια περιοχή της Σινδ για οπωρώνες και περιοχές όπου καλλιεργούνται καλλιέργειες όπως το ζαχαροκάλαμο, το βαμβάκι και το σιτάρι. Η φθίνουσα διαθεσιμότητα νερού στο Πακιστάν είναι ανησυχητική, λόγω της ταχείας αστικοποίησης και εκβιομηχάνισης τα τελευταία πενήντα χρόνια. Εκτός από τον ποταμό Ινδό, άλλοι υδατικοί πόροι στο Πακιστάν είναι τα υπόγεια ύδατα και η βροχόπτωση. Ωστόσο, τα υπόγεια ύδατα εξαντλούνται με τεράστιο ρυθμό λόγω της εκτεταμένης υπερεκμετάλλευσης. Η ανάγκη για άρδευση έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία 20 χρόνια λόγω της επέκτασης της περιοχής καλλιέργειας. Η παροχή νερού ήταν μικρότερη από το 26% των απαιτήσεων σε νερό των καλλιεργειών το καλοκαίρι του 2012, ενώ το χειμώνα, ήταν περίπου 20% πλεόνασμα. Ο ποταμός Ινδός έχει παραγωγικότητα 54%, ενώ η παραγωγικότητα του αρδευτικού συστήματος της Σινδ είναι μόλις 35%. Το κύριο πρόβλημα διαχείρισης του νερού είναι η έλλειψη νερού στις αρχές της περιόδου που ακολουθείται από υπερβολικό νερό με την έναρξη των μουσώνων. Οι αρχές της αποδοτικότητας του νερού βοηθούν στην αξιολόγηση της τρέχουσας παραγωγής και στη διερεύνηση στρατηγικών για την εξοικονόμηση πραγματικού νερού από τα χωράφια στις λεκάνες απορροής. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι η ιδέα να αξιοποιήσετε στο έπακρο τις καλλιέργειες, τα ζώα και άλλα πράγματα, ενώ χρησιμοποιείτε τη λιγότερη δυνατή ποσότητα νερού. Τα δεδομένα σχετικά με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται από τις καλλιέργειες πρέπει να λαμβάνονται ως προαπαιτούμενο πριν από τη χρήση αυτής της στρατηγικής. Η χρήση τιμών εξατμισοδιαπνοής (ET) για την επίλυση απλών εξισώσεων για τον προσδιορισμό της ποσότητας του νερού που καταναλώνεται μπορεί, επομένως, να είναι μια λύση σε αυτό το χρονικά περιορισμένο πρόβλημα. Οι πραγματικές μετρήσεις εξατμισοδιαπνοής (ETa) λαμβάνονται από δορυφορικές φωτογραφίες για επεξεργασία. Αυτή η μελέτη αναλύει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) και τη παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών σιταριού, ρυζιού και βαμβακιού σε εννέα περιοχές της Σινδ εντός της περιοχής διοίκησης του Καναλιού Rohri και θα βοηθήσει στον εντοπισμό περιοχών υψηλών γεωργικών επιδόσεων και θα παρέχει πληροφορίες για τη διαχείριση του συστήματος άρδευσης, οδηγώντας σε βιώσιμη παραγωγικότητα του νερού. Η τηλεπισκόπηση παρέχει μεγάλης κλίμακας δεδομένα εξατμισοδιαπνοής. Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε μια ισχυρή πύλη δεδομένων που βασίζεται στην τηλεπισκόπηση — ροή εξατμισοδιαπνοής του Google Earth Engine (EEFlux) που βασίζεται στη «Χαρτογράφηση εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερική βαθμονόμηση (METRIC)». Αυτός ο ιστότοπος δεδομένων έχει μεγάλες δυνατότητες εκτίμησης του ETa. Το METRIC είναι μια τροποποιημένη έκδοση του «Αλγόριθμου Επιφανειακής Εξισορρόπησης Ενέργειας για Γη (SEBAL), που χρησιμοποιείται στις μέρες μας για τη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής. Το METRIC απαιτεί χειροκίνητες επιλογές εικονοστοιχείων, επομένως έχουν αναπτυχθεί μοντέλα αυτόματης βαθμονόμησης λόγω αβεβαιότητας που μπορεί να προκύψει κατά τη βαθμονόμησή του με διαφορετικούς χρήστες. Τα αυτόματα μοντέλα απαιτούν επίσης τεράστια προεπεξεργασία, όπως η συναρμολόγηση διαφόρων στρωμάτων, το τοπικό κλίμα, τα δορυφορικά δεδομένα, οι χρήσεις γης/κάλυψη, οι χάρτες εδάφους και η εισαγωγή δεδομένων. Το EEFlux όχι μόνο παρέχει έναν αυτόματο μηχανισμό εισαγωγής δεδομένων, αλλά συνδέεται επίσης με το Google Earth Engine (GEE) με τον αλγόριθμο METRIC και παρέχει χάρτες για το Landsat 5, 7, ή 8. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν εικόνες Landsat 5 και 8. 

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Περιγραφή της Περιοχής Μελέτης '''

Το κανάλι Rohri είναι ένα κύριο συστατικό του γεωργικού τομέα στη Σινδ και είναι ένα τεχνητό κανάλι χτισμένο στο φράγμα Sukkur με 2,6 εκατομμύρια στρέμματα για άρδευση. Η περιοχή διοίκησης του καναλιού Rohri καλύπτει και παρέχει νερό σε μεγάλα τμήματα των εννέα περιοχών της Σινδ και βρίσκεται σε θερμό κλίμα με ετήσια βροχόπτωση που δεν υπερβαίνει τα 200 mm και ελάχιστη θερμοκρασία 18 ◦C. Οι κύριες καλλιέργειες που παράγονται σε αυτές τις περιοχές είναι το βαμβάκι και το σιτάρι. Το ρύζι καλλιεργείται επίσης σε αυτήν την περιοχή, αλλά δεν συγκαταλέγεται στις κύριες καλλιέργειες. 

''' 2.2. Μεθοδολογία '''

Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών ορίζεται ως η αναλογία της απόδοσης της καλλιέργειας διαιρούμενη με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται για την παραγωγή της και υπολογίστηκε για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι για τη περίοδο Kharif (1998 και 2017) και Rabi (2014–2015 και 2016–2017). Μετρήθηκε σε kg/m3 και οι χρήσεις του νερού των καλλιεργειών, ή ETa, υπολογίζονται από δεδομένα τηλεπισκόπησης. Χρησιμοποιώντας δορυφορικά δεδομένα, η χρήση του νερού των καλλιεργειών μπορεί να μετρηθεί σε μεγαλύτερες χρονικές και χωρικές κλίμακες. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως η άρδευση, η γονιμότητα του εδάφους, ο έλεγχος παρασίτων και ασθενειών και συχνά αυξάνεται από οποιονδήποτε διαχειριστικό παράγοντα που βελτιώνει την παραγωγή των καλλιεργειών, καθώς η εξατμισοδιαπνοή είναι συνήθως λιγότερο αντιδραστική στις αλλαγές αυτών των παραγόντων από την απόδοση. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι απαραίτητη για την κατανόηση της σχέσης μεταξύ νερού και τροφής και οι τιμές της για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι εκτιμήθηκαν χρησιμοποιώντας την εξίσωση (1): 

<center> ''' CWP = y (Yield) /ETa , (1) ''' </center>

όπου, η CWP είναι η Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών (kg/m3 ), το y αντιπροσωπεύει την απόδοση (kg/m2 ), το ETa είναι η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (m3/ha1). Για αυτήν τη μελέτη, η αρδευόμενη περιοχή και οι αποδόσεις σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού ελήφθησαν από το τμήμα υπηρεσιών αναφοράς καλλιεργειών στο Χαϊντεραμπάντ. 

''' 2.3. Σύνολα δεδομένων '''

''' 2.3.1. Δεδομένα καλλιεργειών '''

Τα δεδομένα για τις καλλιέργειες ελήφθησαν από τη στατιστική έκθεση της Σινδ και το τμήμα γεωργίας.

''' 2.3.2. Crop Masks '''

Crop Masks μπορεί να οριστεί ως η χωρική πληροφορία της κατανομής των διαφόρων καλλιεργειών. Οι μάσκες καλλιέργειας για σιτάρι (2013–2014) και βαμβάκι και ρύζι (2014–2015) αναπτύχθηκαν από τον Οργανισμό Τροφίμων και Γεωργίας και το Υπουργείο Γεωργίας των Ηνωμένων Πολιτειών ως μέρος του έργου «Γεωργικό Πληροφοριακό Σύστημα - Δημιουργία επαρχιακής ικανότητας στο Πακιστάν για την εκτίμηση, την πρόβλεψη και την αναφορά των καλλιεργειών με βάση την ολοκληρωμένη χρήση των δεδομένων τηλεπισκόπησης». Οι δορυφορικές εικόνες SPOT-5 έχουν χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή αυτών των μάσκες καλλιέργειας. 

''' 2.3.3. Αναφορά Εξατμισοδιαπνοή '''

Για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr), υποθέσαμε ότι η γη ήταν καλυμμένη με γρασίδι και υπολογίσαμε την εξατμισοδιαπνοή από αυτό το γρασίδι. Για τη λεκάνη του Ινδού, σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιούνται τιμές αναφοράς εξατμισοδιαπνοής χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Penman–Monteith.

''' 2.3.4. Δεδομένα Τηλεπισκόπησης '''

Οι εικόνες Landsat λαμβάνονται από την πύλη Earth Engine Evapotranspiration Flux (EEFlux), η οποία παρέχει επεξεργασμένες εικόνες Landsat 5 και 8. Βασίζεται στη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερικοποιημένη βαθμονόμηση και η διαδικασία που βασίζεται στην εικόνα Landsat λειτουργεί στο σύστημα Google Earth Engine. Η χρονική ανάλυση είναι 16 ημέρες με χωρική ανάλυση 30 m. Χρησιμοποιώντας την εξίσωση Penman-Monteith για αναφορά της καλλιέργειας μηδικής, το EEFlux περιλαμβάνει σύστημα αφομοίωσης δεδομένων γης της Βόρειας Αμερικής για την εκτίμηση ET (ETr) αναφοράς. Τα έτη 1998, 2017, 2014–2015 και 2016–2017 επιλέχθηκαν με βάση τις χαμηλές και υψηλές ροές που προέκυψαν από τα δεδομένα ροής χρησιμοποιώντας την ανάλυση συχνότητας. 

''' 2.3.5. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Το EEFlux παρέχει βαθμονομημένες εικόνες που αποδίδουν μια τιμή ETr σε κάθε εικονοστοιχείο και η τιμή της πραγματικής ETa εξατμισοδιαπνοής ανά ημέρα υπολογίστηκε πολλαπλασιάζοντας την ETr και την πιθανή εξατμισοδιαπνοή ETo. Εικόνες και μάσκες καλλιέργειας Landsat εξήγαγαν ETr από τις καλλιέργειες σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού. Οι ημερομηνίες αναφοράς του παράγοντα εξατμισοδιαπνοής (ETrf) επιλέχθηκαν από τα Πρότυπα του Τμήματος Άρδευσης της Σίντ και από τη χρονική περίοδο των σταδίων ανάπτυξης της καλλιέργειας από την αρχική έως την ωριμότητα. Ωστόσο, κάθε καλλιέργεια έχει διαφορετικές χρονικές περιόδους ανάπτυξης. Το ETa θεωρείται ως κατάλοιπο του ενεργειακού ισοζυγίου της επιφάνειας. Δίνεται στην Εξίσωση (2).

<center> ''' LE = Rn − H − G, (2) ''' </center>

όπου, LE είναι η λανθάνουσα ροή θερμότητας Rn είναι καθαρή ακτινοβολία G είναι ροή θερμότητας του εδάφους και H είναι αισθητή ροή θερμότητας. Ο ETrF (συντελεστής εξατμισοδιαπνοής αναφοράς) υπολογίστηκε με την Εξίσωση (3) και η σωρευτική ETa για κάθε εποχή υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας την Εξίσωση (4) για διαφορετικές φάσεις ανάπτυξης της καλλιέργειας, συμπεριλαμβανομένων των σταδίων Αρχικής, Ανάπτυξης, Ανθοφορίας και ωριμότητας. Η μέση πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) όλων των σταδίων πολλαπλασιάζοντας τα ETrF και ETr με συγκεκριμένες ημέρες και πάρτε τις μέσες τιμές όλων των pixel. 

<center> ''' ETrF = ETa ETr(Re f erence ET) , (3) ''' </center>

<center> ''' ETseason = ETrFseasonΣ n q ETr−24, (4) ''' </center>

όπου, το ETrf αντιπροσωπεύει το ET αναφοράς για μια συγκεκριμένη περίοδο σταδίου ανάπτυξης. Το ETr−24 είναι ένα ημερήσιο ET αναφοράς για συγκεκριμένο αριθμό ημερών. Το n υποδηλώνει αριθμό ημερών. Τιμές ETr της απαιτούμενης περιοχής εντολής καναλιού. 

''' 2.4. Ημερολόγια καλλιεργειών '''

Το ημερολόγιο καλλιεργειών διαφέρει για διαφορετικές περιοχές αλλά και από καλλιέργεια σε καλλιέργεια, όπως το σιτάρι που καλλιεργείται στο Rabi και το βαμβάκι που καλλιεργείται στο Kharif. Για τον υπολογισμό της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) χρησιμοποιήθηκαν ημερολόγια καλλιέργειας για τις μεσαίες και κατώτερες περιοχές της Σίντ. Οι ημερομηνίες για το μεσαίο και το κάτω μέρος είναι διαφορετικές για τη σπορά και τη συγκομιδή. Το αρχικό στάδιο σποράς στην κάτω Σίντ ξεκινά ένα μήνα νωρίτερα από τη μεσαία Σίντ. Η καλλιέργεια σιταριού της εποχής Rabi ξεκινά τον Οκτώβριο και τον Νοέμβριο, αντίστοιχα, στα κάτω και στα ανώτερα τμήματα της επαρχίας. Αντίθετα, οι καλλιέργειες βαμβακιού και ρυζιού καλλιεργούνται την περίοδο Kharif από τον Απρίλιο. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΕΙΣ '''

''' 3.1. Το ποτάμι ρέει '''

Αξιολογήθηκαν οι ετήσιες εποχιακές ροές. Το εκατοστημόριο υπολογίζεται από αυτό το διάγραμμα ροής, το οποίο ρέει από το φράγμα Sukkur. Τα δεδομένα N Μέγιστης Ετήσιας Απόρριψης παρατίθενται στον παρακάτω πίνακα (για τη μεγαλύτερη κατάταξη ροής M = 1 και τη μικρότερη κατάταξη ροής M = n ή 21 σε αυτήν τη μελέτη). Ωστόσο, η εξίσωση (4α) δείχνει το μέσο διάστημα δύο εκφορτίσεων ίσου (ή μεγαλύτερου) μεγέθους σε χρόνια μεταξύ των εμφανίσεων που είναι γνωστό ως Διάστημα Υποτροπής (RI). 

<center> ''' RI = (Ν + 1)/Μ , (4α) ''' </center>

όπου, RI = Διάστημα υποτροπής, N = Μέγιστη Ετήσια Απόρριψη, Μ = Κατάταξη. Η εξίσωση (4β) μπορεί να ορίσει μια πιθανότητα ενός δεδομένου μεγέθους μιας πλημμύρας κάθε χρόνο.

<center> ''' P = (1/RI)× 100 , (4β) ''' </center>

Η εικόνα 3α δείχνει τα έτη και τις ροές της σεζόν Rabi από το 1998–1999 έως το 2018–2019 του Sukkur Barrage, ενώ οι τάξεις κατανεμήθηκαν και ταξινομήθηκαν σύμφωνα με τις ροές όπως υψηλή, μεσαία και χαμηλή. Η πιθανότητα υπέρβασης (P) έχει υπολογιστεί για την εποχή Rabi κατά την οποία καλλιεργούνται οι καλλιέργειες σιταριού. Υπήρξε υψηλή ροή το 2014–2015 και η μέση ροή καταγράφηκε το 2003–2004. Το έτος 2016-2017 θεωρήθηκε μέσης ροής και το 2001 το 2002 με την τελευταία κατάταξη, που θεωρήθηκε έτος χαμηλής ροής. Η εικόνα 3b παρουσιάζει την ανάλυση συχνότητας των ροών της εποχής Kharif από το 1998 έως το 2017 του φράγματος Sukkur. Οι ροές κατηγοριοποιήθηκαν ως υψηλές, μεσαίες και χαμηλές. Το 2010 Kharif το υγρό έτος λόγω της πλημμύρας του ποταμού, που προκαλεί ζημιές στη Σίντ. Ως εκ τούτου, το 1998 επιλέχθηκε ως το έτος υψηλής ροής (επόμενο υψηλότερο μετά το 2010). Το έτος μέσης ροής ήταν το 2017 και το έτος χαμηλής ροής ήταν το 2004. Σε αυτή τη μελέτη αναλύθηκαν καλλιέργειες ρυζιού και βαμβακιού που καλλιεργήθηκαν την περίοδο Kharif. 

''' 3.2. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Υπολογίστηκε η πραγματική μηνιαία εξατμισοδιαπνοή, η οποία υπολογίζει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας (CWP). Μπορεί να παρατηρηθεί ότι το αρχικό στάδιο έχει το χαμηλότερο ETa, ενώ το στάδιο της ανθοφορίας έχει την υψηλότερη εξατμισοδιαπνοή αφού σε αυτό το στάδιο απαιτείται περισσότερο νερό για την ανάπτυξη των φυτών.

''' 3.2.1. Καλλιέργεια Σιταριού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή έχει υπολογιστεί χρησιμοποιώντας μάσκες καλλιέργειας για τα τέσσερα στάδια: αρχικό, ανάπτυξη της καλλιέργειας, ανθοφορία και ωριμότητα. Η εικόνα 4α απεικονίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της εποχής Rabi της καλλιέργειας σίτου, που υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας το ETrf και το ETr. Το ETa είναι χαμηλό στο αρχικό στάδιο, καθώς είναι το στάδιο της σποράς, ενώ το ETa ήταν υψηλότερο στο στάδιο της ανθοφορίας (2014–2015). Η εικόνα 4β δείχνει την τιμή ETa για την περίοδο 2016–2017, χαμηλότερη από την τιμή για την περίοδο 2014–2015.

''' 3.2.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) ήταν περισσότερο για την καλλιέργεια βαμβακιού παρά για το σιτάρι. Η Εικόνα 5a παρουσιάζει την ETa για την καλλιέργεια βαμβακιού της περιόδου Kharif του 1998 όταν η ροή ήταν υψηλή και η Εικόνα 5β δείχνει την υψηλότερη τιμή ETa για το 2017, υψηλότερη από το 1998. Το 2017 οι ροές ήταν κανονικές/μέτριες. Αυτό δείχνει ότι οι υψηλότερες ροές δεν συνδέονται απαραίτητα με υψηλότερες τιμές ETa. 

''' 3.2.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η εικόνα 6α απεικονίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας ρυζιού το 1998, την υψηλότερη μεταξύ άλλων καλλιεργειών όπως το σιτάρι και το βαμβάκι, καθώς το ρύζι καταναλώνει περισσότερο νερό. Ωστόσο, το ρύζι δεν είναι η κύρια καλλιέργεια της Σίντ. Η εικόνα 6β παρουσιάζει το ETa του Hyderabad, του Badin και του Matiyari για το 2017. Η καλλιέργεια ρυζιού καλλιεργείται στις συνοικίες της Σίντ, ωστόσο, απαγορεύεται στην Κάτω Σίντ λόγω λειψυδρίας. 

''' 3.3. Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών Κύριων Καλλιεργειών '''

''' 3.3.1. Καλλιέργεια Σιταριού (2014-2015 και 2016-2017) '''

Η μέση παγκόσμια CWP σιταριού είναι 0,86 kg/m3 έως 1,80 kg/m3. Υπάρχουν τρεις παγκόσμιες κατηγορίες για CWP σίτου: χαμηλή (<= 0,75 kg/m3), μεσαία (> 0,75 kg/m3 έως < 1,10 kg/m3) και υψηλή (>= 1,10 kg/m3). Για το Πακιστάν, η μέση CWP είναι 0,80 kg/m3 έως 0,91 kg/m3, η οποία εμπίπτει στη μεσαία κατηγορία. Υπήρξε υψηλότερη ροή το 2014-2015, ενώ το 2016-2017 ήταν μέτρια. Η μέση CWP για την καλλιέργεια σίτου ήταν 1,03 kg/m3 σε 2014–2015 και 1,02 kg/m3 το 2016-2017. Συνολικά, η CWP της καλλιέργειας σιταριού είναι κάτω από το αναφερόμενο εύρος, δηλαδή μεταξύ 0,32 kg/m3 έως 1,08 kg/m3. Λόγω της υπερχείλισης, της αλατότητας, των συνθηκών του εδάφους και της έλλειψης διαθεσιμότητας υπόγειων υδάτων, το CWP της Σινδ είναι μικρότερη από το Παντζάμπ. Η απόδοση σιταριού της Σινδ είναι 33% μικρότερη από την απόδοση σιταριού του Παντζάμπ.

''' 3.3.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η Εικόνα 8 αντιπροσωπεύει το CWP του βαμβακιού για την εποχή Kharif (1998 και 2017). Για τα έτη αυτά, οι τιμές CWP της καλλιέργειας βαμβακιού ήταν σταθερές. Οι μέσες CWP της περιοχής μελέτης των καλλιεργειών βαμβακιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,12 kg/m3 και 0,16 kg/m3,αντίστοιχα. Οι μέσες τιμές CWP για το βαμβάκι ήταν 0,22 kg/m3 και 0,26 kg/m3. Η χαμηλότερη CWP του Badin οφείλεται στην κακή ποιότητα της εικόνας, έτσι, έγινε δύσκολος ο υπολογισμός της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής και εφαρμόστηκαν διορθώσεις στο σύννεφο όπου η κάλυψη του νέφους ήταν περίπου 50%. 

''' 3.3.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η Εικόνα 9 δείχνει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας του ρυζιού που καλλιεργείται στην περιοχή μελέτης. Οι περισσότερες από τις καλλιέργειες που επιλέχθηκαν σε αυτή τη μελέτη είναι κύριες καλλιέργειες, εκτός από το ρύζι. Το ρύζι είναι μια από τις άλλες καλλιέργειες που η κυβέρνηση της Σινδ απαγόρευσε λόγω της έλλειψης νερού,ωστόσο, το ρύζι καλλιεργήθηκε το 1998 σε όλη τη Σινδ. Συνολικά, οι μέσες τιμές CWP ρυζιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,32 kg/m3 και 0,54 kg/m3, αντίστοιχα. Δεδομένου ότι το ρύζι δεν απαγορεύτηκε το 1998 στην περιοχή μελέτης, το νερό για άλλες καλλιέργειες χρησιμοποιήθηκε για το ρύζι. Οι άλλες καλλιέργειες πήραν αρκετό νερό μετά τη διακοπή της καλλιέργειας ρυζιού.

''' 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Αυτή η μελέτη υπολόγισε την παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών (CWP) του σιταριού, του βαμβακιού και του ρυζιού του Καναλιού Rohri, χρησιμοποιώντας δεδομένα τηλεπισκόπησης στο περιβάλλον GIS. Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή υπολογίστηκε για τις εννέα περιοχές για δύο εποχές Rabi (2014 -2015 και 2016–2017) και δύο εποχές Kharif (1998 και 2017). Τα έτη επιλέχθηκαν με βάση τις υψηλές και μέτριες ροές που περνούσαν από το φράγμα Sukkur. Το ETa ήταν υψηλότερο στην καλλιέργεια ρυζιού, ενώ ήταν μικρότερο από την καλλιέργεια βαμβακιού για την καλλιέργεια σιταριού, καθώς το ETa εξαρτάται από τον τύπο της καλλιέργειας, διότι ορισμένες καλλιέργειες χρειάζονται περισσότερο νερό από άλλες. Τα αποτελέσματα της μελέτης συνόψισαν ότι η εκτίμηση του πραγματικού ET είναι ζωτικής σημασίας για τη διαχείριση του νερού άρδευσης και των συνθηκών καταπόνησης των καλλιεργειών. Αυτή η χρήση του μοντέλου EEFlux για τη λήψη εικόνων ETrf είναι εφικτή για την επεξεργασία τους με ελάχιστη προσπάθεια. Η μέση CWP της καλλιέργειας σιταριού για την περίοδο 2014–2015 και 2016–2017 ήταν, αντίστοιχα, 1,03 kg/m3 και 1,02 kg/m3, ενώ η CWP αυξήθηκε το έτος 2014–2015 σε σύγκριση με το 2016–2017. Υπάρχει περιορισμός δεδομένων σε τρεις περιφέρειες (Matiyari, Tando Allahyar και Tando Muhammad Khan) σχετικά με την περιοχή καλλιέργειας και την παραγωγή βαμβακιού και ρυζιού το 1998, επομένως, υπολογίστηκε η μέσα CWP βαμβακιού και ρυζιού μόνο για έξι περιοχές. Το 1998, συνολικά, η CWP αυξήθηκε και για τις δύο καλλιέργειες, ωστόσο, το ρύζι έχει απαγορευτεί από την κυβέρνηση της Σίντ στην επαρχία Σιντ λόγω της έλλειψης νερού. Το ρύζι παίρνει περισσότερο νερό από άλλες καλλιέργειες και το εξοικονομημένο νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οικιακούς και βιομηχανικούς σκοπούς. Η CWP επηρεάζεται από γεωργικές πρακτικές που περιλαμβάνουν προετοιμασία γης, μεθόδους σποράς, ποιότητα σπόρων και εδάφους, εφαρμογή νερού και λιπασμάτων και έλεγχο ζιζανίων και παρασίτων. Η προτεινόμενη προσέγγιση είναι αρκετά εφικτή και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διαφορετικές περιοχές με διάφορες καλλιέργειες, ενώ προωθούνται τεχνικές τηλεπισκόπησης για την αποτελεσματική διαχείριση της φυτικής παραγωγής. 

[[category:Υδατικοί Πόροι]]
[[category:Γεωργία]]

Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών χρησιμοποιώντας GIS και τεχνικές τηλεπισκόπησης

2024-02-16T10:32:31Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Estimation of Crop Water Productivity Using GIS and Remote Sensing Techniques''

'''Συγγραφείς: ''' Zenobia Talpur, Arjumand Z. Zaidi, Suhail Ahmed, Tarekegn Dejen Mengistu, Si-Jung Choi, Il-Moon Chung

'''Δημοσιεύθηκε: '''''Sustainability 2023, 15, 11154. https://doi.org/10.3390/su151411154 ''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Γεωργία, υδατικοί πόροι, αρδευτικό σύστημα

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών στην περιοχή της Σινδ '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_G_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Θέση της περιοχής μελέτης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Τύποι και πηγές δεδομένων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' (a) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Rabi, (b) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Kharif , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2014–2015), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2016–2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (2017), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας σιταριού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας βαμβακιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας ρυζιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

Ο αγροτικός τομέας καταναλώνει το 90% του παγκόσμιου νερού, από το οποίο το 40% των καλλιεργειών παράγεται μέσω του συστήματος άρδευσης. Η μη βιώσιμη γεωργία δεν μπορεί να επιτύχει τις διατροφικές απαιτήσεις για τον αυξανόμενο πληθυσμό και ο αγροτικός τομέας αντιμετωπίζει προκλήσεις χαμηλής παραγωγικότητας νερού των καλλιεργειών, έτσι η χρήση του νερού πρέπει να βελτιστοποιηθεί για να παράγει περισσότερα τρόφιμα. Ο αγροτικός τομέας του Πακιστάν συνεισφέρει το 24% της Ακαθάριστης Εγχώριας Παραγωγής και απασχολεί το 45% του συνολικού εργατικού δυναμικού του. Το Πακιστάν έχει δύο κύριες περιόδους καλλιέργειας - Rabi and Kharif. Η καλλιέργεια Kharif εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ποσότητα και την κατανομή των βροχοπτώσεων, ειδικά κατά την περίοδο των μουσώνων. Το σύστημα καναλιών του ποταμού Ινδού υποστηρίζει κυρίως τη γεωργία. Το φράγμα Sukkur είναι το παλαιότερο από αυτά. Πριν από το φράγμα Sukkur, χτίστηκε το κανάλι Rohri μήκους 350 χιλιομέτρων, ένα από τα παλαιότερα κανάλια, το οποίο ποτίζει αγροκτήματα στην αριστερή όχθη του ποταμού Ινδού κάτω από το φράγμα Sukkur και περίπου 2,9 εκατομμύρια στρέμματα γεωργικής γης αντλούν νερό από αυτό σε εννέα περιοχές. Επίσης, ποτίζει εδάφη μέχρι την παράκτια περιοχή της Σινδ για οπωρώνες και περιοχές όπου καλλιεργούνται καλλιέργειες όπως το ζαχαροκάλαμο, το βαμβάκι και το σιτάρι. Η φθίνουσα διαθεσιμότητα νερού στο Πακιστάν είναι ανησυχητική, λόγω της ταχείας αστικοποίησης και εκβιομηχάνισης τα τελευταία πενήντα χρόνια. Εκτός από τον ποταμό Ινδό, άλλοι υδατικοί πόροι στο Πακιστάν είναι τα υπόγεια ύδατα και η βροχόπτωση. Ωστόσο, τα υπόγεια ύδατα εξαντλούνται με τεράστιο ρυθμό λόγω της εκτεταμένης υπερεκμετάλλευσης. Η ανάγκη για άρδευση έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία 20 χρόνια λόγω της επέκτασης της περιοχής καλλιέργειας. Η παροχή νερού ήταν μικρότερη από το 26% των απαιτήσεων σε νερό των καλλιεργειών το καλοκαίρι του 2012, ενώ το χειμώνα, ήταν περίπου 20% πλεόνασμα. Ο ποταμός Ινδός έχει παραγωγικότητα 54%, ενώ η παραγωγικότητα του αρδευτικού συστήματος της Σινδ είναι μόλις 35%. Το κύριο πρόβλημα διαχείρισης του νερού είναι η έλλειψη νερού στις αρχές της περιόδου που ακολουθείται από υπερβολικό νερό με την έναρξη των μουσώνων. Οι αρχές της αποδοτικότητας του νερού βοηθούν στην αξιολόγηση της τρέχουσας παραγωγής και στη διερεύνηση στρατηγικών για την εξοικονόμηση πραγματικού νερού από τα χωράφια στις λεκάνες απορροής. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι η ιδέα να αξιοποιήσετε στο έπακρο τις καλλιέργειες, τα ζώα και άλλα πράγματα, ενώ χρησιμοποιείτε τη λιγότερη δυνατή ποσότητα νερού. Τα δεδομένα σχετικά με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται από τις καλλιέργειες πρέπει να λαμβάνονται ως προαπαιτούμενο πριν από τη χρήση αυτής της στρατηγικής. Η χρήση τιμών εξατμισοδιαπνοής (ET) για την επίλυση απλών εξισώσεων για τον προσδιορισμό της ποσότητας του νερού που καταναλώνεται μπορεί, επομένως, να είναι μια λύση σε αυτό το χρονικά περιορισμένο πρόβλημα. Οι πραγματικές μετρήσεις εξατμισοδιαπνοής (ETa) λαμβάνονται από δορυφορικές φωτογραφίες για επεξεργασία. Αυτή η μελέτη αναλύει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) και τη παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών σιταριού, ρυζιού και βαμβακιού σε εννέα περιοχές της Σινδ εντός της περιοχής διοίκησης του Καναλιού Rohri και θα βοηθήσει στον εντοπισμό περιοχών υψηλών γεωργικών επιδόσεων και θα παρέχει πληροφορίες για τη διαχείριση του συστήματος άρδευσης, οδηγώντας σε βιώσιμη παραγωγικότητα του νερού. Η τηλεπισκόπηση παρέχει μεγάλης κλίμακας δεδομένα εξατμισοδιαπνοής. Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε μια ισχυρή πύλη δεδομένων που βασίζεται στην τηλεπισκόπηση — ροή εξατμισοδιαπνοής του Google Earth Engine (EEFlux) που βασίζεται στη «Χαρτογράφηση εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερική βαθμονόμηση (METRIC)». Αυτός ο ιστότοπος δεδομένων έχει μεγάλες δυνατότητες εκτίμησης του ETa. Το METRIC είναι μια τροποποιημένη έκδοση του «Αλγόριθμου Επιφανειακής Εξισορρόπησης Ενέργειας για Γη (SEBAL), που χρησιμοποιείται στις μέρες μας για τη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής. Το METRIC απαιτεί χειροκίνητες επιλογές εικονοστοιχείων, επομένως έχουν αναπτυχθεί μοντέλα αυτόματης βαθμονόμησης λόγω αβεβαιότητας που μπορεί να προκύψει κατά τη βαθμονόμησή του με διαφορετικούς χρήστες. Τα αυτόματα μοντέλα απαιτούν επίσης τεράστια προεπεξεργασία, όπως η συναρμολόγηση διαφόρων στρωμάτων, το τοπικό κλίμα, τα δορυφορικά δεδομένα, οι χρήσεις γης/κάλυψη, οι χάρτες εδάφους και η εισαγωγή δεδομένων. Το EEFlux όχι μόνο παρέχει έναν αυτόματο μηχανισμό εισαγωγής δεδομένων, αλλά συνδέεται επίσης με το Google Earth Engine (GEE) με τον αλγόριθμο METRIC και παρέχει χάρτες για το Landsat 5, 7, ή 8. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν εικόνες Landsat 5 και 8. 

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Περιγραφή της Περιοχής Μελέτης '''

Το κανάλι Rohri είναι ένα κύριο συστατικό του γεωργικού τομέα στη Σινδ και είναι ένα τεχνητό κανάλι χτισμένο στο φράγμα Sukkur με 2,6 εκατομμύρια στρέμματα για άρδευση. Η περιοχή διοίκησης του καναλιού Rohri καλύπτει και παρέχει νερό σε μεγάλα τμήματα των εννέα περιοχών της Σινδ και βρίσκεται σε θερμό κλίμα με ετήσια βροχόπτωση που δεν υπερβαίνει τα 200 mm και ελάχιστη θερμοκρασία 18 ◦C. Οι κύριες καλλιέργειες που παράγονται σε αυτές τις περιοχές είναι το βαμβάκι και το σιτάρι. Το ρύζι καλλιεργείται επίσης σε αυτήν την περιοχή, αλλά δεν συγκαταλέγεται στις κύριες καλλιέργειες. 

''' 2.2. Μεθοδολογία '''

Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών ορίζεται ως η αναλογία της απόδοσης της καλλιέργειας διαιρούμενη με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται για την παραγωγή της και υπολογίστηκε για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι για τη περίοδο Kharif (1998 και 2017) και Rabi (2014–2015 και 2016–2017). Μετρήθηκε σε kg/m3 και οι χρήσεις του νερού των καλλιεργειών, ή ETa, υπολογίζονται από δεδομένα τηλεπισκόπησης. Χρησιμοποιώντας δορυφορικά δεδομένα, η χρήση του νερού των καλλιεργειών μπορεί να μετρηθεί σε μεγαλύτερες χρονικές και χωρικές κλίμακες. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως η άρδευση, η γονιμότητα του εδάφους, ο έλεγχος παρασίτων και ασθενειών και συχνά αυξάνεται από οποιονδήποτε διαχειριστικό παράγοντα που βελτιώνει την παραγωγή των καλλιεργειών, καθώς η εξατμισοδιαπνοή είναι συνήθως λιγότερο αντιδραστική στις αλλαγές αυτών των παραγόντων από την απόδοση. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι απαραίτητη για την κατανόηση της σχέσης μεταξύ νερού και τροφής και οι τιμές της για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι εκτιμήθηκαν χρησιμοποιώντας την εξίσωση (1): 

<center> ''' CWP = y (Yield) /ETa , (1) ''' </center>

όπου, η CWP είναι η Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών (kg/m3 ), το y αντιπροσωπεύει την απόδοση (kg/m2 ), το ETa είναι η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (m3/ha1). Για αυτήν τη μελέτη, η αρδευόμενη περιοχή και οι αποδόσεις σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού ελήφθησαν από το τμήμα υπηρεσιών αναφοράς καλλιεργειών στο Χαϊντεραμπάντ. 

''' 2.3. Σύνολα δεδομένων '''

''' 2.3.1. Δεδομένα καλλιεργειών '''

Τα δεδομένα για τις καλλιέργειες ελήφθησαν από τη στατιστική έκθεση της Σινδ και το τμήμα γεωργίας.

''' 2.3.2. Μάσκες καλλιέργειας '''

Η μάσκα καλλιέργειας μπορεί να οριστεί ως η χωρική πληροφορία της κατανομής των διαφόρων καλλιεργειών. Οι μάσκες καλλιέργειας για σιτάρι (2013–2014) και βαμβάκι και ρύζι (2014–2015) αναπτύχθηκαν από τον Οργανισμό Τροφίμων και Γεωργίας και το Υπουργείο Γεωργίας των Ηνωμένων Πολιτειών ως μέρος του έργου «Γεωργικό Πληροφοριακό Σύστημα - Δημιουργία επαρχιακής ικανότητας στο Πακιστάν για την εκτίμηση, την πρόβλεψη και την αναφορά των καλλιεργειών με βάση την ολοκληρωμένη χρήση των δεδομένων τηλεπισκόπησης». Οι δορυφορικές εικόνες SPOT-5 έχουν χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή αυτών των μάσκες καλλιέργειας. 

''' 2.3.3. Αναφορά Εξατμισοδιαπνοή '''

Για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr), υποθέσαμε ότι η γη ήταν καλυμμένη με γρασίδι και υπολογίσαμε την εξατμισοδιαπνοή από αυτό το γρασίδι. Για τη λεκάνη του Ινδού, σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιούνται τιμές αναφοράς εξατμισοδιαπνοής χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Penman–Monteith.

''' 2.3.4. Δεδομένα Τηλεπισκόπησης '''

Οι εικόνες Landsat λαμβάνονται από την πύλη Earth Engine Evapotranspiration Flux (EEFlux), η οποία παρέχει επεξεργασμένες εικόνες Landsat 5 και 8. Βασίζεται στη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερικοποιημένη βαθμονόμηση και η διαδικασία που βασίζεται στην εικόνα Landsat λειτουργεί στο σύστημα Google Earth Engine. Η χρονική ανάλυση είναι 16 ημέρες με χωρική ανάλυση 30 m. Χρησιμοποιώντας την εξίσωση Penman-Monteith για αναφορά της καλλιέργειας μηδικής, το EEFlux περιλαμβάνει σύστημα αφομοίωσης δεδομένων γης της Βόρειας Αμερικής για την εκτίμηση ET (ETr) αναφοράς. Τα έτη 1998, 2017, 2014–2015 και 2016–2017 επιλέχθηκαν με βάση τις χαμηλές και υψηλές ροές που προέκυψαν από τα δεδομένα ροής χρησιμοποιώντας την ανάλυση συχνότητας. 

''' 2.3.5. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Το EEFlux παρέχει βαθμονομημένες εικόνες που αποδίδουν μια τιμή ETr σε κάθε εικονοστοιχείο και η τιμή της πραγματικής ETa εξατμισοδιαπνοής ανά ημέρα υπολογίστηκε πολλαπλασιάζοντας την ETr και την πιθανή εξατμισοδιαπνοή ETo. Εικόνες και μάσκες καλλιέργειας Landsat εξήγαγαν ETr από τις καλλιέργειες σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού. Οι ημερομηνίες αναφοράς του παράγοντα εξατμισοδιαπνοής (ETrf) επιλέχθηκαν από τα Πρότυπα του Τμήματος Άρδευσης της Σίντ και από τη χρονική περίοδο των σταδίων ανάπτυξης της καλλιέργειας από την αρχική έως την ωριμότητα. Ωστόσο, κάθε καλλιέργεια έχει διαφορετικές χρονικές περιόδους ανάπτυξης. Το ETa θεωρείται ως κατάλοιπο του ενεργειακού ισοζυγίου της επιφάνειας. Δίνεται στην Εξίσωση (2).

<center> ''' LE = Rn − H − G, (2) ''' </center>

όπου, LE είναι η λανθάνουσα ροή θερμότητας Rn είναι καθαρή ακτινοβολία G είναι ροή θερμότητας του εδάφους και H είναι αισθητή ροή θερμότητας. Ο ETrF (συντελεστής εξατμισοδιαπνοής αναφοράς) υπολογίστηκε με την Εξίσωση (3) και η σωρευτική ETa για κάθε εποχή υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας την Εξίσωση (4) για διαφορετικές φάσεις ανάπτυξης της καλλιέργειας, συμπεριλαμβανομένων των σταδίων Αρχικής, Ανάπτυξης, Ανθοφορίας και ωριμότητας. Η μέση πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) όλων των σταδίων πολλαπλασιάζοντας τα ETrF και ETr με συγκεκριμένες ημέρες και πάρτε τις μέσες τιμές όλων των pixel. 

<center> ''' ETrF = ETa ETr(Re f erence ET) , (3) ''' </center>

<center> ''' ETseason = ETrFseasonΣ n q ETr−24, (4) ''' </center>

όπου, το ETrf αντιπροσωπεύει το ET αναφοράς για μια συγκεκριμένη περίοδο σταδίου ανάπτυξης. Το ETr−24 είναι ένα ημερήσιο ET αναφοράς για συγκεκριμένο αριθμό ημερών. Το n υποδηλώνει αριθμό ημερών. Τιμές ETr της απαιτούμενης περιοχής εντολής καναλιού. 

''' 2.4. Ημερολόγια καλλιεργειών '''

Το ημερολόγιο καλλιεργειών διαφέρει για διαφορετικές περιοχές αλλά και από καλλιέργεια σε καλλιέργεια, όπως το σιτάρι που καλλιεργείται στο Rabi και το βαμβάκι που καλλιεργείται στο Kharif. Για τον υπολογισμό της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) χρησιμοποιήθηκαν ημερολόγια καλλιέργειας για τις μεσαίες και κατώτερες περιοχές της Σίντ. Οι ημερομηνίες για το μεσαίο και το κάτω μέρος είναι διαφορετικές για τη σπορά και τη συγκομιδή. Το αρχικό στάδιο σποράς στην κάτω Σίντ ξεκινά ένα μήνα νωρίτερα από τη μεσαία Σίντ. Η καλλιέργεια σιταριού της εποχής Rabi ξεκινά τον Οκτώβριο και τον Νοέμβριο, αντίστοιχα, στα κάτω και στα ανώτερα τμήματα της επαρχίας. Αντίθετα, οι καλλιέργειες βαμβακιού και ρυζιού καλλιεργούνται την περίοδο Kharif από τον Απρίλιο. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΕΙΣ '''

''' 3.1. Το ποτάμι ρέει '''

Αξιολογήθηκαν οι ετήσιες εποχιακές ροές. Το εκατοστημόριο υπολογίζεται από αυτό το διάγραμμα ροής, το οποίο ρέει από το φράγμα Sukkur. Τα δεδομένα N Μέγιστης Ετήσιας Απόρριψης παρατίθενται στον παρακάτω πίνακα (για τη μεγαλύτερη κατάταξη ροής M = 1 και τη μικρότερη κατάταξη ροής M = n ή 21 σε αυτήν τη μελέτη). Ωστόσο, η εξίσωση (4α) δείχνει το μέσο διάστημα δύο εκφορτίσεων ίσου (ή μεγαλύτερου) μεγέθους σε χρόνια μεταξύ των εμφανίσεων που είναι γνωστό ως Διάστημα Υποτροπής (RI). 

<center> ''' RI = (Ν + 1)/Μ , (4α) ''' </center>

όπου, RI = Διάστημα υποτροπής, N = Μέγιστη Ετήσια Απόρριψη, Μ = Κατάταξη. Η εξίσωση (4β) μπορεί να ορίσει μια πιθανότητα ενός δεδομένου μεγέθους μιας πλημμύρας κάθε χρόνο.

<center> ''' P = (1/RI)× 100 , (4β) ''' </center>

Η εικόνα 3α δείχνει τα έτη και τις ροές της σεζόν Rabi από το 1998–1999 έως το 2018–2019 του Sukkur Barrage, ενώ οι τάξεις κατανεμήθηκαν και ταξινομήθηκαν σύμφωνα με τις ροές όπως υψηλή, μεσαία και χαμηλή. Η πιθανότητα υπέρβασης (P) έχει υπολογιστεί για την εποχή Rabi κατά την οποία καλλιεργούνται οι καλλιέργειες σιταριού. Υπήρξε υψηλή ροή το 2014–2015 και η μέση ροή καταγράφηκε το 2003–2004. Το έτος 2016-2017 θεωρήθηκε μέσης ροής και το 2001 το 2002 με την τελευταία κατάταξη, που θεωρήθηκε έτος χαμηλής ροής. Η εικόνα 3b παρουσιάζει την ανάλυση συχνότητας των ροών της εποχής Kharif από το 1998 έως το 2017 του φράγματος Sukkur. Οι ροές κατηγοριοποιήθηκαν ως υψηλές, μεσαίες και χαμηλές. Το 2010 Kharif το υγρό έτος λόγω της πλημμύρας του ποταμού, που προκαλεί ζημιές στη Σίντ. Ως εκ τούτου, το 1998 επιλέχθηκε ως το έτος υψηλής ροής (επόμενο υψηλότερο μετά το 2010). Το έτος μέσης ροής ήταν το 2017 και το έτος χαμηλής ροής ήταν το 2004. Σε αυτή τη μελέτη αναλύθηκαν καλλιέργειες ρυζιού και βαμβακιού που καλλιεργήθηκαν την περίοδο Kharif. 

''' 3.2. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Υπολογίστηκε η πραγματική μηνιαία εξατμισοδιαπνοή, η οποία υπολογίζει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας (CWP). Μπορεί να παρατηρηθεί ότι το αρχικό στάδιο έχει το χαμηλότερο ETa, ενώ το στάδιο της ανθοφορίας έχει την υψηλότερη εξατμισοδιαπνοή αφού σε αυτό το στάδιο απαιτείται περισσότερο νερό για την ανάπτυξη των φυτών.

''' 3.2.1. Καλλιέργεια Σιταριού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή έχει υπολογιστεί χρησιμοποιώντας μάσκες καλλιέργειας για τα τέσσερα στάδια: αρχικό, ανάπτυξη της καλλιέργειας, ανθοφορία και ωριμότητα. Η εικόνα 4α απεικονίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της εποχής Rabi της καλλιέργειας σίτου, που υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας το ETrf και το ETr. Το ETa είναι χαμηλό στο αρχικό στάδιο, καθώς είναι το στάδιο της σποράς, ενώ το ETa ήταν υψηλότερο στο στάδιο της ανθοφορίας (2014–2015). Η εικόνα 4β δείχνει την τιμή ETa για την περίοδο 2016–2017, χαμηλότερη από την τιμή για την περίοδο 2014–2015.

''' 3.2.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) ήταν περισσότερο για την καλλιέργεια βαμβακιού παρά για το σιτάρι. Η Εικόνα 5a παρουσιάζει την ETa για την καλλιέργεια βαμβακιού της περιόδου Kharif του 1998 όταν η ροή ήταν υψηλή και η Εικόνα 5β δείχνει την υψηλότερη τιμή ETa για το 2017, υψηλότερη από το 1998. Το 2017 οι ροές ήταν κανονικές/μέτριες. Αυτό δείχνει ότι οι υψηλότερες ροές δεν συνδέονται απαραίτητα με υψηλότερες τιμές ETa. 

''' 3.2.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η εικόνα 6α απεικονίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας ρυζιού το 1998, την υψηλότερη μεταξύ άλλων καλλιεργειών όπως το σιτάρι και το βαμβάκι, καθώς το ρύζι καταναλώνει περισσότερο νερό. Ωστόσο, το ρύζι δεν είναι η κύρια καλλιέργεια της Σίντ. Η εικόνα 6β παρουσιάζει το ETa του Hyderabad, του Badin και του Matiyari για το 2017. Η καλλιέργεια ρυζιού καλλιεργείται στις συνοικίες της Σίντ, ωστόσο, απαγορεύεται στην Κάτω Σίντ λόγω λειψυδρίας. 

''' 3.3. Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών Κύριων Καλλιεργειών '''

''' 3.3.1. Καλλιέργεια Σιταριού (2014-2015 και 2016-2017) '''

Η μέση παγκόσμια CWP σιταριού είναι 0,86 kg/m3 έως 1,80 kg/m3. Υπάρχουν τρεις παγκόσμιες κατηγορίες για CWP σίτου: χαμηλή (<= 0,75 kg/m3), μεσαία (> 0,75 kg/m3 έως < 1,10 kg/m3) και υψηλή (>= 1,10 kg/m3). Για το Πακιστάν, η μέση CWP είναι 0,80 kg/m3 έως 0,91 kg/m3, η οποία εμπίπτει στη μεσαία κατηγορία. Υπήρξε υψηλότερη ροή το 2014-2015, ενώ το 2016-2017 ήταν μέτρια. Η μέση CWP για την καλλιέργεια σίτου ήταν 1,03 kg/m3 σε 2014–2015 και 1,02 kg/m3 το 2016-2017. Συνολικά, η CWP της καλλιέργειας σιταριού είναι κάτω από το αναφερόμενο εύρος, δηλαδή μεταξύ 0,32 kg/m3 έως 1,08 kg/m3. Λόγω της υπερχείλισης, της αλατότητας, των συνθηκών του εδάφους και της έλλειψης διαθεσιμότητας υπόγειων υδάτων, το CWP της Σινδ είναι μικρότερη από το Παντζάμπ. Η απόδοση σιταριού της Σινδ είναι 33% μικρότερη από την απόδοση σιταριού του Παντζάμπ.

''' 3.3.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η Εικόνα 8 αντιπροσωπεύει το CWP του βαμβακιού για την εποχή Kharif (1998 και 2017). Για τα έτη αυτά, οι τιμές CWP της καλλιέργειας βαμβακιού ήταν σταθερές. Οι μέσες CWP της περιοχής μελέτης των καλλιεργειών βαμβακιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,12 kg/m3 και 0,16 kg/m3,αντίστοιχα. Οι μέσες τιμές CWP για το βαμβάκι ήταν 0,22 kg/m3 και 0,26 kg/m3. Η χαμηλότερη CWP του Badin οφείλεται στην κακή ποιότητα της εικόνας, έτσι, έγινε δύσκολος ο υπολογισμός της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής και εφαρμόστηκαν διορθώσεις στο σύννεφο όπου η κάλυψη του νέφους ήταν περίπου 50%. 

''' 3.3.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η Εικόνα 9 δείχνει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας του ρυζιού που καλλιεργείται στην περιοχή μελέτης. Οι περισσότερες από τις καλλιέργειες που επιλέχθηκαν σε αυτή τη μελέτη είναι κύριες καλλιέργειες, εκτός από το ρύζι. Το ρύζι είναι μια από τις άλλες καλλιέργειες που η κυβέρνηση της Σινδ απαγόρευσε λόγω της έλλειψης νερού,ωστόσο, το ρύζι καλλιεργήθηκε το 1998 σε όλη τη Σινδ. Συνολικά, οι μέσες τιμές CWP ρυζιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,32 kg/m3 και 0,54 kg/m3, αντίστοιχα. Δεδομένου ότι το ρύζι δεν απαγορεύτηκε το 1998 στην περιοχή μελέτης, το νερό για άλλες καλλιέργειες χρησιμοποιήθηκε για το ρύζι. Οι άλλες καλλιέργειες πήραν αρκετό νερό μετά τη διακοπή της καλλιέργειας ρυζιού.

''' 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Αυτή η μελέτη υπολόγισε την παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών (CWP) του σιταριού, του βαμβακιού και του ρυζιού του Καναλιού Rohri, χρησιμοποιώντας δεδομένα τηλεπισκόπησης στο περιβάλλον GIS. Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή υπολογίστηκε για τις εννέα περιοχές για δύο εποχές Rabi (2014 -2015 και 2016–2017) και δύο εποχές Kharif (1998 και 2017). Τα έτη επιλέχθηκαν με βάση τις υψηλές και μέτριες ροές που περνούσαν από το φράγμα Sukkur. Το ETa ήταν υψηλότερο στην καλλιέργεια ρυζιού, ενώ ήταν μικρότερο από την καλλιέργεια βαμβακιού για την καλλιέργεια σιταριού, καθώς το ETa εξαρτάται από τον τύπο της καλλιέργειας, διότι ορισμένες καλλιέργειες χρειάζονται περισσότερο νερό από άλλες. Τα αποτελέσματα της μελέτης συνόψισαν ότι η εκτίμηση του πραγματικού ET είναι ζωτικής σημασίας για τη διαχείριση του νερού άρδευσης και των συνθηκών καταπόνησης των καλλιεργειών. Αυτή η χρήση του μοντέλου EEFlux για τη λήψη εικόνων ETrf είναι εφικτή για την επεξεργασία τους με ελάχιστη προσπάθεια. Η μέση CWP της καλλιέργειας σιταριού για την περίοδο 2014–2015 και 2016–2017 ήταν, αντίστοιχα, 1,03 kg/m3 και 1,02 kg/m3, ενώ η CWP αυξήθηκε το έτος 2014–2015 σε σύγκριση με το 2016–2017. Υπάρχει περιορισμός δεδομένων σε τρεις περιφέρειες (Matiyari, Tando Allahyar και Tando Muhammad Khan) σχετικά με την περιοχή καλλιέργειας και την παραγωγή βαμβακιού και ρυζιού το 1998, επομένως, υπολογίστηκε η μέσα CWP βαμβακιού και ρυζιού μόνο για έξι περιοχές. Το 1998, συνολικά, η CWP αυξήθηκε και για τις δύο καλλιέργειες, ωστόσο, το ρύζι έχει απαγορευτεί από την κυβέρνηση της Σίντ στην επαρχία Σιντ λόγω της έλλειψης νερού. Το ρύζι παίρνει περισσότερο νερό από άλλες καλλιέργειες και το εξοικονομημένο νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οικιακούς και βιομηχανικούς σκοπούς. Η CWP επηρεάζεται από γεωργικές πρακτικές που περιλαμβάνουν προετοιμασία γης, μεθόδους σποράς, ποιότητα σπόρων και εδάφους, εφαρμογή νερού και λιπασμάτων και έλεγχο ζιζανίων και παρασίτων. Η προτεινόμενη προσέγγιση είναι αρκετά εφικτή και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διαφορετικές περιοχές με διάφορες καλλιέργειες, ενώ προωθούνται τεχνικές τηλεπισκόπησης για την αποτελεσματική διαχείριση της φυτικής παραγωγής. 

[[category:Υδατικοί Πόροι]]
[[category:Γεωργία]]

Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών χρησιμοποιώντας GIS και τεχνικές τηλεπισκόπησης

2024-02-16T10:29:09Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Estimation of Crop Water Productivity Using GIS and Remote Sensing Techniques''

'''Συγγραφείς: ''' Zenobia Talpur, Arjumand Z. Zaidi, Suhail Ahmed, Tarekegn Dejen Mengistu, Si-Jung Choi, Il-Moon Chung

'''Δημοσιεύθηκε: '''''Sustainability 2023, 15, 11154. https://doi.org/10.3390/su151411154 ''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Γεωργία, υδατικοί πόροι, αρδευτικό σύστημα

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών στην περιοχή της Σινδ '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_G_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Θέση της περιοχής μελέτης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Τύποι και πηγές δεδομένων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' (a) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Rabi, (b) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Kharif , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2014–2015), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2016–2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (2017), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας σιταριού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας βαμβακιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας ρυζιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

Ο αγροτικός τομέας καταναλώνει το 90% του παγκόσμιου νερού, από το οποίο το 40% των καλλιεργειών παράγεται μέσω του συστήματος άρδευσης. Η μη βιώσιμη γεωργία δεν μπορεί να επιτύχει τις διατροφικές απαιτήσεις για τον αυξανόμενο πληθυσμό και ο αγροτικός τομέας αντιμετωπίζει προκλήσεις χαμηλής παραγωγικότητας νερού των καλλιεργειών, έτσι η χρήση του νερού πρέπει να βελτιστοποιηθεί για να παράγει περισσότερα τρόφιμα. Ο αγροτικός τομέας του Πακιστάν συνεισφέρει το 24% της Ακαθάριστης Εγχώριας Παραγωγής και απασχολεί το 45% του συνολικού εργατικού δυναμικού του. Το Πακιστάν έχει δύο κύριες περιόδους καλλιέργειας - Rabi and Kharif. Η καλλιέργεια Kharif εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ποσότητα και την κατανομή των βροχοπτώσεων, ειδικά κατά την περίοδο των μουσώνων. Το σύστημα καναλιών του ποταμού Ινδού υποστηρίζει κυρίως τη γεωργία. Το φράγμα Sukkur είναι το παλαιότερο από αυτά. Πριν από το φράγμα Sukkur, χτίστηκε το κανάλι Rohri μήκους 350 χιλιομέτρων, ένα από τα παλαιότερα κανάλια, το οποίο ποτίζει αγροκτήματα στην αριστερή όχθη του ποταμού Ινδού κάτω από το φράγμα Sukkur και περίπου 2,9 εκατομμύρια στρέμματα γεωργικής γης αντλούν νερό από αυτό σε εννέα περιοχές. Επίσης, ποτίζει εδάφη μέχρι την παράκτια περιοχή της Σινδ για οπωρώνες και περιοχές όπου καλλιεργούνται καλλιέργειες όπως το ζαχαροκάλαμο, το βαμβάκι και το σιτάρι. Η φθίνουσα διαθεσιμότητα νερού στο Πακιστάν είναι ανησυχητική, λόγω της ταχείας αστικοποίησης και εκβιομηχάνισης τα τελευταία πενήντα χρόνια. Εκτός από τον ποταμό Ινδό, άλλοι υδατικοί πόροι στο Πακιστάν είναι τα υπόγεια ύδατα και η βροχόπτωση. Ωστόσο, τα υπόγεια ύδατα εξαντλούνται με τεράστιο ρυθμό λόγω της εκτεταμένης υπερεκμετάλλευσης. Η ανάγκη για άρδευση έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία 20 χρόνια λόγω της επέκτασης της περιοχής καλλιέργειας. Η παροχή νερού ήταν μικρότερη από το 26% των απαιτήσεων σε νερό των καλλιεργειών το καλοκαίρι του 2012, ενώ το χειμώνα, ήταν περίπου 20% πλεόνασμα. Ο ποταμός Ινδός έχει παραγωγικότητα 54%, ενώ η παραγωγικότητα του αρδευτικού συστήματος της Σινδ είναι μόλις 35%. Το κύριο πρόβλημα διαχείρισης του νερού είναι η έλλειψη νερού στις αρχές της περιόδου που ακολουθείται από υπερβολικό νερό με την έναρξη των μουσώνων. Οι αρχές της αποδοτικότητας του νερού βοηθούν στην αξιολόγηση της τρέχουσας παραγωγής και στη διερεύνηση στρατηγικών για την εξοικονόμηση πραγματικού νερού από τα χωράφια στις λεκάνες απορροής. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι η ιδέα να αξιοποιήσετε στο έπακρο τις καλλιέργειες, τα ζώα και άλλα πράγματα, ενώ χρησιμοποιείτε τη λιγότερη δυνατή ποσότητα νερού. Τα δεδομένα σχετικά με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται από τις καλλιέργειες πρέπει να λαμβάνονται ως προαπαιτούμενο πριν από τη χρήση αυτής της στρατηγικής. Η χρήση τιμών εξατμισοδιαπνοής (ET) για την επίλυση απλών εξισώσεων για τον προσδιορισμό της ποσότητας του νερού που καταναλώνεται μπορεί, επομένως, να είναι μια λύση σε αυτό το χρονικά περιορισμένο πρόβλημα. Οι πραγματικές μετρήσεις εξατμισοδιαπνοής (ETa) λαμβάνονται από δορυφορικές φωτογραφίες για επεξεργασία. Αυτή η μελέτη αναλύει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) και τη παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών σιταριού, ρυζιού και βαμβακιού σε εννέα περιοχές της Σινδ εντός της περιοχής διοίκησης του Καναλιού Rohri και θα βοηθήσει στον εντοπισμό περιοχών υψηλών γεωργικών επιδόσεων και θα παρέχει πληροφορίες για τη διαχείριση του συστήματος άρδευσης, οδηγώντας σε βιώσιμη παραγωγικότητα του νερού. Η τηλεπισκόπηση παρέχει μεγάλης κλίμακας δεδομένα εξατμισοδιαπνοής. Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε μια ισχυρή πύλη δεδομένων που βασίζεται στην τηλεπισκόπηση — ροή εξατμισοδιαπνοής του Google Earth Engine (EEFlux) που βασίζεται στη «Χαρτογράφηση εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερική βαθμονόμηση (METRIC)». Αυτός ο ιστότοπος δεδομένων έχει μεγάλες δυνατότητες εκτίμησης του ETa. Το METRIC είναι μια τροποποιημένη έκδοση του «Αλγόριθμου Επιφανειακής Εξισορρόπησης Ενέργειας για Γη (SEBAL), που χρησιμοποιείται στις μέρες μας για τη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής. Το METRIC απαιτεί χειροκίνητες επιλογές εικονοστοιχείων, επομένως έχουν αναπτυχθεί μοντέλα αυτόματης βαθμονόμησης λόγω αβεβαιότητας που μπορεί να προκύψει κατά τη βαθμονόμησή του με διαφορετικούς χρήστες. Τα αυτόματα μοντέλα απαιτούν επίσης τεράστια προεπεξεργασία, όπως η συναρμολόγηση διαφόρων στρωμάτων, το τοπικό κλίμα, τα δορυφορικά δεδομένα, οι χρήσεις γης/κάλυψη, οι χάρτες εδάφους και η εισαγωγή δεδομένων. Το EEFlux όχι μόνο παρέχει έναν αυτόματο μηχανισμό εισαγωγής δεδομένων, αλλά συνδέεται επίσης με το Google Earth Engine (GEE) με τον αλγόριθμο METRIC και παρέχει χάρτες για το Landsat 5, 7, ή 8. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν εικόνες Landsat 5 και 8. 

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Περιγραφή της Περιοχής Μελέτης '''

Το κανάλι Rohri είναι ένα κύριο συστατικό του γεωργικού τομέα στη Σινδ και είναι ένα τεχνητό κανάλι χτισμένο στο φράγμα Sukkur με 2,6 εκατομμύρια στρέμματα για άρδευση. Η περιοχή διοίκησης του καναλιού Rohri καλύπτει και παρέχει νερό σε μεγάλα τμήματα των εννέα περιοχών της Σινδ και βρίσκεται σε θερμό κλίμα με ετήσια βροχόπτωση που δεν υπερβαίνει τα 200 mm και ελάχιστη θερμοκρασία 18 ◦C. Οι κύριες καλλιέργειες που παράγονται σε αυτές τις περιοχές είναι το βαμβάκι και το σιτάρι. Το ρύζι καλλιεργείται επίσης σε αυτήν την περιοχή, αλλά δεν συγκαταλέγεται στις κύριες καλλιέργειες. 

''' 2.2. Μεθοδολογία '''

Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών ορίζεται ως η αναλογία της απόδοσης της καλλιέργειας διαιρούμενη με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται για την παραγωγή της και υπολογίστηκε για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι για τη περίοδο Kharif (1998 και 2017) και Rabi (2014–2015 και 2016–2017). Μετρήθηκε σε kg/m3 και οι χρήσεις του νερού των καλλιεργειών, ή ETa, υπολογίζονται από δεδομένα τηλεπισκόπησης. Χρησιμοποιώντας δορυφορικά δεδομένα, η χρήση του νερού των καλλιεργειών μπορεί να μετρηθεί σε μεγαλύτερες χρονικές και χωρικές κλίμακες. Τα κρίσιμα δευτερεύοντα δεδομένα αυτής της μελέτης περιλαμβάνουν διαθεσιμότητα νερού στο κανάλι Rohri (εισροή), μοτίβο καλλιέργειας. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως η άρδευση, η γονιμότητα του εδάφους, ο έλεγχος παρασίτων και ασθενειών και συχνά αυξάνεται από οποιονδήποτε διαχειριστικό παράγοντα που βελτιώνει την παραγωγή των καλλιεργειών, καθώς η εξατμισοδιαπνοή είναι συνήθως λιγότερο αντιδραστική στις αλλαγές αυτών των παραγόντων από την απόδοση. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι απαραίτητη για την κατανόηση της σχέσης μεταξύ νερού και τροφής και οι τιμές της για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι εκτιμήθηκαν χρησιμοποιώντας την εξίσωση (1): 

<center> ''' CWP = y (Yield) /ETa , (1) ''' </center>

όπου, η CWP είναι η Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών (kg/m3 ), το y αντιπροσωπεύει την απόδοση (kg/m2 ), το ETa είναι η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (m3/ha1). Για αυτήν τη μελέτη, η αρδευόμενη περιοχή και οι αποδόσεις σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού ελήφθησαν από το τμήμα υπηρεσιών αναφοράς καλλιεργειών στο Χαϊντεραμπάντ. 

''' 2.3. Σύνολα δεδομένων '''

''' 2.3.1. Δεδομένα καλλιεργειών '''

Τα δεδομένα για τις καλλιέργειες ελήφθησαν από τη στατιστική έκθεση της Σινδ και το τμήμα γεωργίας.

''' 2.3.2. Μάσκες καλλιέργειας '''

Η μάσκα καλλιέργειας μπορεί να οριστεί ως η χωρική πληροφορία της κατανομής των διαφόρων καλλιεργειών. Οι μάσκες καλλιέργειας για σιτάρι (2013–2014) και βαμβάκι και ρύζι (2014–2015) αναπτύχθηκαν από τον Οργανισμό Τροφίμων και Γεωργίας και το Υπουργείο Γεωργίας των Ηνωμένων Πολιτειών ως μέρος του έργου «Γεωργικό Πληροφοριακό Σύστημα - Δημιουργία επαρχιακής ικανότητας στο Πακιστάν για την εκτίμηση, την πρόβλεψη και την αναφορά των καλλιεργειών με βάση την ολοκληρωμένη χρήση των δεδομένων τηλεπισκόπησης». Οι δορυφορικές εικόνες SPOT-5 έχουν χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή αυτών των μάσκες καλλιέργειας. 

''' 2.3.3. Αναφορά Εξατμισοδιαπνοή '''

Για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr), υποθέσαμε ότι η γη ήταν καλυμμένη με γρασίδι και υπολογίσαμε την εξατμισοδιαπνοή από αυτό το γρασίδι. Για τη λεκάνη του Ινδού, σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιούνται τιμές αναφοράς εξατμισοδιαπνοής χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Penman–Monteith.

''' 2.3.4. Δεδομένα Τηλεπισκόπησης '''

Οι εικόνες Landsat λαμβάνονται από την πύλη Earth Engine Evapotranspiration Flux (EEFlux), η οποία παρέχει επεξεργασμένες εικόνες Landsat 5 και 8. Βασίζεται στη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερικοποιημένη βαθμονόμηση και η διαδικασία που βασίζεται στην εικόνα Landsat λειτουργεί στο σύστημα Google Earth Engine. Η χρονική ανάλυση είναι 16 ημέρες με χωρική ανάλυση 30 m. Χρησιμοποιώντας την εξίσωση Penman-Monteith για αναφορά της καλλιέργειας μηδικής, το EEFlux περιλαμβάνει σύστημα αφομοίωσης δεδομένων γης της Βόρειας Αμερικής για την εκτίμηση ET (ETr) αναφοράς. Τα έτη 1998, 2017, 2014–2015 και 2016–2017 επιλέχθηκαν με βάση τις χαμηλές και υψηλές ροές που προέκυψαν από τα δεδομένα ροής χρησιμοποιώντας την ανάλυση συχνότητας. 

''' 2.3.5. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Το EEFlux παρέχει βαθμονομημένες εικόνες που αποδίδουν μια τιμή ETr σε κάθε εικονοστοιχείο και η τιμή της πραγματικής ETa εξατμισοδιαπνοής ανά ημέρα υπολογίστηκε πολλαπλασιάζοντας την ETr και την πιθανή εξατμισοδιαπνοή ETo. Εικόνες και μάσκες καλλιέργειας Landsat εξήγαγαν ETr από τις καλλιέργειες σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού. Οι ημερομηνίες αναφοράς του παράγοντα εξατμισοδιαπνοής (ETrf) επιλέχθηκαν από τα Πρότυπα του Τμήματος Άρδευσης της Σίντ και από τη χρονική περίοδο των σταδίων ανάπτυξης της καλλιέργειας από την αρχική έως την ωριμότητα. Ωστόσο, κάθε καλλιέργεια έχει διαφορετικές χρονικές περιόδους ανάπτυξης. Το ETa θεωρείται ως κατάλοιπο του ενεργειακού ισοζυγίου της επιφάνειας. Δίνεται στην Εξίσωση (2).

<center> ''' LE = Rn − H − G, (2) ''' </center>

όπου, LE είναι η λανθάνουσα ροή θερμότητας Rn είναι καθαρή ακτινοβολία G είναι ροή θερμότητας του εδάφους και H είναι αισθητή ροή θερμότητας. Ο ETrF (συντελεστής εξατμισοδιαπνοής αναφοράς) υπολογίστηκε με την Εξίσωση (3) και η σωρευτική ETa για κάθε εποχή υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας την Εξίσωση (4) για διαφορετικές φάσεις ανάπτυξης της καλλιέργειας, συμπεριλαμβανομένων των σταδίων Αρχικής, Ανάπτυξης, Ανθοφορίας και ωριμότητας. Η μέση πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) όλων των σταδίων πολλαπλασιάζοντας τα ETrF και ETr με συγκεκριμένες ημέρες και πάρτε τις μέσες τιμές όλων των pixel. 

<center> ''' ETrF = ETa ETr(Re f erence ET) , (3) ''' </center>

<center> ''' ETseason = ETrFseasonΣ n q ETr−24, (4) ''' </center>

όπου, το ETrf αντιπροσωπεύει το ET αναφοράς για μια συγκεκριμένη περίοδο σταδίου ανάπτυξης. Το ETr−24 είναι ένα ημερήσιο ET αναφοράς για συγκεκριμένο αριθμό ημερών. Το n υποδηλώνει αριθμό ημερών. Τιμές ETr της απαιτούμενης περιοχής εντολής καναλιού. 

''' 2.4. Ημερολόγια καλλιεργειών '''

Το ημερολόγιο καλλιεργειών διαφέρει για διαφορετικές περιοχές αλλά και από καλλιέργεια σε καλλιέργεια, όπως το σιτάρι που καλλιεργείται στο Rabi και το βαμβάκι που καλλιεργείται στο Kharif. Για τον υπολογισμό της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) χρησιμοποιήθηκαν ημερολόγια καλλιέργειας για τις μεσαίες και κατώτερες περιοχές της Σίντ. Οι ημερομηνίες για το μεσαίο και το κάτω μέρος είναι διαφορετικές για τη σπορά και τη συγκομιδή. Το αρχικό στάδιο σποράς στην κάτω Σίντ ξεκινά ένα μήνα νωρίτερα από τη μεσαία Σίντ. Η καλλιέργεια σιταριού της εποχής Rabi ξεκινά τον Οκτώβριο και τον Νοέμβριο, αντίστοιχα, στα κάτω και στα ανώτερα τμήματα της επαρχίας. Αντίθετα, οι καλλιέργειες βαμβακιού και ρυζιού καλλιεργούνται την περίοδο Kharif από τον Απρίλιο. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΕΙΣ '''

''' 3.1. Το ποτάμι ρέει '''

Αξιολογήθηκαν οι ετήσιες εποχιακές ροές. Το εκατοστημόριο υπολογίζεται από αυτό το διάγραμμα ροής, το οποίο ρέει από το φράγμα Sukkur. Τα δεδομένα N Μέγιστης Ετήσιας Απόρριψης παρατίθενται στον παρακάτω πίνακα (για τη μεγαλύτερη κατάταξη ροής M = 1 και τη μικρότερη κατάταξη ροής M = n ή 21 σε αυτήν τη μελέτη). Ωστόσο, η εξίσωση (4α) δείχνει το μέσο διάστημα δύο εκφορτίσεων ίσου (ή μεγαλύτερου) μεγέθους σε χρόνια μεταξύ των εμφανίσεων που είναι γνωστό ως Διάστημα Υποτροπής (RI). 

<center> ''' RI = (Ν + 1)/Μ , (4α) ''' </center>

όπου, RI = Διάστημα υποτροπής, N = Μέγιστη Ετήσια Απόρριψη, Μ = Κατάταξη. Η εξίσωση (4β) μπορεί να ορίσει μια πιθανότητα ενός δεδομένου μεγέθους μιας πλημμύρας κάθε χρόνο.

<center> ''' P = (1/RI)× 100 , (4β) ''' </center>

Η εικόνα 3α δείχνει τα έτη και τις ροές της σεζόν Rabi από το 1998–1999 έως το 2018–2019 του Sukkur Barrage, ενώ οι τάξεις κατανεμήθηκαν και ταξινομήθηκαν σύμφωνα με τις ροές όπως υψηλή, μεσαία και χαμηλή. Η πιθανότητα υπέρβασης (P) έχει υπολογιστεί για την εποχή Rabi κατά την οποία καλλιεργούνται οι καλλιέργειες σιταριού. Υπήρξε υψηλή ροή το 2014–2015 και η μέση ροή καταγράφηκε το 2003–2004. Το έτος 2016-2017 θεωρήθηκε μέσης ροής και το 2001 το 2002 με την τελευταία κατάταξη, που θεωρήθηκε έτος χαμηλής ροής. Η εικόνα 3b παρουσιάζει την ανάλυση συχνότητας των ροών της εποχής Kharif από το 1998 έως το 2017 του φράγματος Sukkur. Οι ροές κατηγοριοποιήθηκαν ως υψηλές, μεσαίες και χαμηλές. Το 2010 Kharif το υγρό έτος λόγω της πλημμύρας του ποταμού, που προκαλεί ζημιές στη Σίντ. Ως εκ τούτου, το 1998 επιλέχθηκε ως το έτος υψηλής ροής (επόμενο υψηλότερο μετά το 2010). Το έτος μέσης ροής ήταν το 2017 και το έτος χαμηλής ροής ήταν το 2004. Σε αυτή τη μελέτη αναλύθηκαν καλλιέργειες ρυζιού και βαμβακιού που καλλιεργήθηκαν την περίοδο Kharif. 

''' 3.2. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Υπολογίστηκε η πραγματική μηνιαία εξατμισοδιαπνοή, η οποία υπολογίζει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας (CWP). Μπορεί να παρατηρηθεί ότι το αρχικό στάδιο έχει το χαμηλότερο ETa, ενώ το στάδιο της ανθοφορίας έχει την υψηλότερη εξατμισοδιαπνοή αφού σε αυτό το στάδιο απαιτείται περισσότερο νερό για την ανάπτυξη των φυτών.

''' 3.2.1. Καλλιέργεια Σιταριού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή έχει υπολογιστεί χρησιμοποιώντας μάσκες καλλιέργειας για τα τέσσερα στάδια: αρχικό, ανάπτυξη της καλλιέργειας, ανθοφορία και ωριμότητα. Η εικόνα 4α απεικονίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της εποχής Rabi της καλλιέργειας σίτου, που υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας το ETrf και το ETr. Το ETa είναι χαμηλό στο αρχικό στάδιο, καθώς είναι το στάδιο της σποράς, ενώ το ETa ήταν υψηλότερο στο στάδιο της ανθοφορίας (2014–2015). Η εικόνα 4β δείχνει την τιμή ETa για την περίοδο 2016–2017, χαμηλότερη από την τιμή για την περίοδο 2014–2015.

''' 3.2.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) ήταν περισσότερο για την καλλιέργεια βαμβακιού παρά για το σιτάρι. Η Εικόνα 5a παρουσιάζει την ETa για την καλλιέργεια βαμβακιού της περιόδου Kharif του 1998 όταν η ροή ήταν υψηλή και η Εικόνα 5β δείχνει την υψηλότερη τιμή ETa για το 2017, υψηλότερη από το 1998. Το 2017 οι ροές ήταν κανονικές/μέτριες. Αυτό δείχνει ότι οι υψηλότερες ροές δεν συνδέονται απαραίτητα με υψηλότερες τιμές ETa. 

''' 3.2.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η εικόνα 6α απεικονίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας ρυζιού το 1998, την υψηλότερη μεταξύ άλλων καλλιεργειών όπως το σιτάρι και το βαμβάκι, καθώς το ρύζι καταναλώνει περισσότερο νερό. Ωστόσο, το ρύζι δεν είναι η κύρια καλλιέργεια της Σίντ. Η εικόνα 6β παρουσιάζει το ETa του Hyderabad, του Badin και του Matiyari για το 2017. Η καλλιέργεια ρυζιού καλλιεργείται στις συνοικίες της Σίντ, ωστόσο, απαγορεύεται στην Κάτω Σίντ λόγω λειψυδρίας. 

''' 3.3. Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών Κύριων Καλλιεργειών '''

''' 3.3.1. Καλλιέργεια Σιταριού (2014-2015 και 2016-2017) '''

Η μέση παγκόσμια CWP σιταριού είναι 0,86 kg/m3 έως 1,80 kg/m3. Υπάρχουν τρεις παγκόσμιες κατηγορίες για CWP σίτου: χαμηλή (<= 0,75 kg/m3), μεσαία (> 0,75 kg/m3 έως < 1,10 kg/m3) και υψηλή (>= 1,10 kg/m3). Για το Πακιστάν, η μέση CWP είναι 0,80 kg/m3 έως 0,91 kg/m3, η οποία εμπίπτει στη μεσαία κατηγορία. Υπήρξε υψηλότερη ροή το 2014-2015, ενώ το 2016-2017 ήταν μέτρια. Η μέση CWP για την καλλιέργεια σίτου ήταν 1,03 kg/m3 σε 2014–2015 και 1,02 kg/m3 το 2016-2017. Συνολικά, η CWP της καλλιέργειας σιταριού είναι κάτω από το αναφερόμενο εύρος, δηλαδή μεταξύ 0,32 kg/m3 έως 1,08 kg/m3. Λόγω της υπερχείλισης, της αλατότητας, των συνθηκών του εδάφους και της έλλειψης διαθεσιμότητας υπόγειων υδάτων, το CWP της Σινδ είναι μικρότερη από το Παντζάμπ. Η απόδοση σιταριού της Σινδ είναι 33% μικρότερη από την απόδοση σιταριού του Παντζάμπ.

''' 3.3.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η Εικόνα 8 αντιπροσωπεύει το CWP του βαμβακιού για την εποχή Kharif (1998 και 2017). Για τα έτη αυτά, οι τιμές CWP της καλλιέργειας βαμβακιού ήταν σταθερές. Οι μέσες CWP της περιοχής μελέτης των καλλιεργειών βαμβακιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,12 kg/m3 και 0,16 kg/m3,αντίστοιχα. Οι μέσες τιμές CWP για το βαμβάκι ήταν 0,22 kg/m3 και 0,26 kg/m3. Η χαμηλότερη CWP του Badin οφείλεται στην κακή ποιότητα της εικόνας, έτσι, έγινε δύσκολος ο υπολογισμός της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής και εφαρμόστηκαν διορθώσεις στο σύννεφο όπου η κάλυψη του νέφους ήταν περίπου 50%. 

''' 3.3.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η Εικόνα 9 δείχνει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας του ρυζιού που καλλιεργείται στην περιοχή μελέτης. Οι περισσότερες από τις καλλιέργειες που επιλέχθηκαν σε αυτή τη μελέτη είναι κύριες καλλιέργειες, εκτός από το ρύζι. Το ρύζι είναι μια από τις άλλες καλλιέργειες που η κυβέρνηση της Σινδ απαγόρευσε λόγω της έλλειψης νερού,ωστόσο, το ρύζι καλλιεργήθηκε το 1998 σε όλη τη Σινδ. Συνολικά, οι μέσες τιμές CWP ρυζιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,32 kg/m3 και 0,54 kg/m3, αντίστοιχα. Δεδομένου ότι το ρύζι δεν απαγορεύτηκε το 1998 στην περιοχή μελέτης, το νερό για άλλες καλλιέργειες χρησιμοποιήθηκε για το ρύζι. Οι άλλες καλλιέργειες πήραν αρκετό νερό μετά τη διακοπή της καλλιέργειας ρυζιού.

''' 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Αυτή η μελέτη υπολόγισε την παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών (CWP) του σιταριού, του βαμβακιού και του ρυζιού του Καναλιού Rohri, χρησιμοποιώντας δεδομένα τηλεπισκόπησης στο περιβάλλον GIS. Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή υπολογίστηκε για τις εννέα περιοχές για δύο εποχές Rabi (2014 -2015 και 2016–2017) και δύο εποχές Kharif (1998 και 2017). Τα έτη επιλέχθηκαν με βάση τις υψηλές και μέτριες ροές που περνούσαν από το φράγμα Sukkur. Το ETa ήταν υψηλότερο στην καλλιέργεια ρυζιού, ενώ ήταν μικρότερο από την καλλιέργεια βαμβακιού για την καλλιέργεια σιταριού, καθώς το ETa εξαρτάται από τον τύπο της καλλιέργειας, διότι ορισμένες καλλιέργειες χρειάζονται περισσότερο νερό από άλλες. Τα αποτελέσματα της μελέτης συνόψισαν ότι η εκτίμηση του πραγματικού ET είναι ζωτικής σημασίας για τη διαχείριση του νερού άρδευσης και των συνθηκών καταπόνησης των καλλιεργειών. Αυτή η χρήση του μοντέλου EEFlux για τη λήψη εικόνων ETrf είναι εφικτή για την επεξεργασία τους με ελάχιστη προσπάθεια. Η μέση CWP της καλλιέργειας σιταριού για την περίοδο 2014–2015 και 2016–2017 ήταν, αντίστοιχα, 1,03 kg/m3 και 1,02 kg/m3, ενώ η CWP αυξήθηκε το έτος 2014–2015 σε σύγκριση με το 2016–2017. Υπάρχει περιορισμός δεδομένων σε τρεις περιφέρειες (Matiyari, Tando Allahyar και Tando Muhammad Khan) σχετικά με την περιοχή καλλιέργειας και την παραγωγή βαμβακιού και ρυζιού το 1998, επομένως, υπολογίστηκε η μέσα CWP βαμβακιού και ρυζιού μόνο για έξι περιοχές. Το 1998, συνολικά, η CWP αυξήθηκε και για τις δύο καλλιέργειες, ωστόσο, το ρύζι έχει απαγορευτεί από την κυβέρνηση της Σίντ στην επαρχία Σιντ λόγω της έλλειψης νερού. Το ρύζι παίρνει περισσότερο νερό από άλλες καλλιέργειες και το εξοικονομημένο νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οικιακούς και βιομηχανικούς σκοπούς. Η CWP επηρεάζεται από γεωργικές πρακτικές που περιλαμβάνουν προετοιμασία γης, μεθόδους σποράς, ποιότητα σπόρων και εδάφους, εφαρμογή νερού και λιπασμάτων και έλεγχο ζιζανίων και παρασίτων. Η προτεινόμενη προσέγγιση είναι αρκετά εφικτή και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διαφορετικές περιοχές με διάφορες καλλιέργειες, ενώ προωθούνται τεχνικές τηλεπισκόπησης για την αποτελεσματική διαχείριση της φυτικής παραγωγής. 

[[category:Υδατικοί Πόροι]]
[[category:Γεωργία]]

Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών χρησιμοποιώντας GIS και τεχνικές τηλεπισκόπησης

2024-02-16T10:21:22Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Estimation of Crop Water Productivity Using GIS and Remote Sensing Techniques''

'''Συγγραφείς: ''' Zenobia Talpur, Arjumand Z. Zaidi, Suhail Ahmed, Tarekegn Dejen Mengistu, Si-Jung Choi, Il-Moon Chung

'''Δημοσιεύθηκε: '''''Sustainability 2023, 15, 11154. https://doi.org/10.3390/su151411154 ''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Γεωργία, υδατικοί πόροι, αρδευτικό σύστημα

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών στην περιοχή της Σινδ '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_G_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Θέση της περιοχής μελέτης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Τύποι και πηγές δεδομένων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' (a) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Rabi, (b) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Kharif , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2014–2015), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2016–2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (2017), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας σιταριού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας βαμβακιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας ρυζιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

Ο αγροτικός τομέας καταναλώνει το 90% του παγκόσμιου νερού, από το οποίο το 40% των καλλιεργειών παράγεται μέσω του συστήματος άρδευσης. Η μη βιώσιμη γεωργία δεν μπορεί να επιτύχει τις διατροφικές απαιτήσεις για τον αυξανόμενο πληθυσμό και ο αγροτικός τομέας αντιμετωπίζει προκλήσεις χαμηλής παραγωγικότητας νερού των καλλιεργειών, έτσι η χρήση του νερού πρέπει να βελτιστοποιηθεί για να παράγει περισσότερα τρόφιμα. Ο αγροτικός τομέας του Πακιστάν συνεισφέρει το 24% της Ακαθάριστης Εγχώριας Παραγωγής και απασχολεί το 45% του συνολικού εργατικού δυναμικού του. Το Πακιστάν έχει δύο κύριες περιόδους καλλιέργειας - Rabi and Kharif. Η καλλιέργεια Kharif εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ποσότητα και την κατανομή των βροχοπτώσεων, ειδικά κατά την περίοδο των μουσώνων. Το σύστημα καναλιών του ποταμού Ινδού υποστηρίζει κυρίως τη γεωργία. Το φράγμα Sukkur είναι το παλαιότερο από αυτά. Πριν από το φράγμα Sukkur, χτίστηκε το κανάλι Rohri μήκους 350 χιλιομέτρων, ένα από τα παλαιότερα κανάλια. Το κανάλι ποτίζει αγροκτήματα στην αριστερή όχθη του ποταμού Ινδού κάτω από το φράγμα Sukkur. Περίπου 2,9 εκατομμύρια στρέμματα γεωργικής γης αντλούν νερό από το κανάλι Rohri σε εννέα περιοχές. Το κανάλι Rohri ποτίζει εδάφη μέχρι την παράκτια περιοχή της Σινδ για οπωρώνες και περιοχές όπου καλλιεργούνται καλλιέργειες όπως το ζαχαροκάλαμο, το βαμβάκι και το σιτάρι. Η φθίνουσα διαθεσιμότητα νερού στο Πακιστάν είναι ανησυχητική, λόγω της ταχείας αστικοποίησης και εκβιομηχάνισης τα τελευταία πενήντα χρόνια. Εκτός από τον ποταμό Ινδό, άλλοι υδατικοί πόροι στο Πακιστάν είναι τα υπόγεια ύδατα και η βροχόπτωση. Ωστόσο, τα υπόγεια ύδατα εξαντλούνται με τεράστιο ρυθμό λόγω της εκτεταμένης υπερεκμετάλλευσης. Η ανάγκη για άρδευση έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία 20 χρόνια λόγω της αποκατάστασης και επέκτασης της περιοχής καλλιέργειας. Η παροχή νερού ήταν μικρότερη από το 26% των απαιτήσεων σε νερό των καλλιεργειών το καλοκαίρι του 2012, ενώ το χειμώνα, ήταν περίπου 20% πλεόνασμα. Ο ποταμός Ινδός έχει παραγωγικότητα 54%, ενώ η παραγωγικότητα του αρδευτικού συστήματος της Σινδ είναι μόλις 35%. Το κύριο πρόβλημα διαχείρισης του νερού είναι η έλλειψη νερού στις αρχές της περιόδου που ακολουθείται από υπερβολικό νερό με την έναρξη των μουσώνων. Οι αρχές της αποδοτικότητας του νερού βοηθούν στην αξιολόγηση της τρέχουσας παραγωγής και στη διερεύνηση στρατηγικών για την εξοικονόμηση πραγματικού νερού από τα χωράφια στις λεκάνες απορροής. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι η ιδέα να αξιοποιήσετε στο έπακρο τις καλλιέργειες, τα ζώα και άλλα πράγματα, ενώ χρησιμοποιείτε τη λιγότερη δυνατή ποσότητα νερού. Τα δεδομένα σχετικά με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται από τις καλλιέργειες πρέπει να λαμβάνονται ως προαπαιτούμενο πριν από τη χρήση αυτής της στρατηγικής. Η χρήση τιμών εξατμισοδιαπνοής (ET) για την επίλυση απλών εξισώσεων για τον προσδιορισμό της ποσότητας του νερού που καταναλώνεται μπορεί, επομένως, να είναι μια λύση σε αυτό το χρονικά περιορισμένο πρόβλημα. Οι πραγματικές μετρήσεις εξατμισοδιαπνοής (ETa) λαμβάνονται από δορυφορικές φωτογραφίες για επεξεργασία. Αυτή η μελέτη αναλύει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) και τη παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών σιταριού, ρυζιού και βαμβακιού σε εννέα περιοχές της Σινδ εντός της περιοχής διοίκησης του Καναλιού Rohri και θα βοηθήσει στον εντοπισμό περιοχών υψηλών γεωργικών επιδόσεων και θα παρέχει πληροφορίες για τη διαχείριση του συστήματος άρδευσης, οδηγώντας σε βιώσιμη παραγωγικότητα του νερού. Η τηλεπισκόπηση παρέχει μεγάλης κλίμακας δεδομένα εξατμισοδιαπνοής. Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε μια ισχυρή πύλη δεδομένων που βασίζεται στην τηλεπισκόπηση — ροή εξατμισοδιαπνοής του Google Earth Engine (EEFlux) που βασίζεται στη «Χαρτογράφηση εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερική βαθμονόμηση (METRIC)». Αυτός ο ιστότοπος δεδομένων έχει μεγάλες δυνατότητες εκτίμησης του ETa. Το METRIC είναι μια τροποποιημένη έκδοση του «Αλγόριθμου Επιφανειακής Εξισορρόπησης Ενέργειας για Γη (SEBAL), που χρησιμοποιείται στις μέρες μας για τη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής. Το METRIC απαιτεί χειροκίνητες επιλογές εικονοστοιχείων, επομένως έχουν αναπτυχθεί μοντέλα αυτόματης βαθμονόμησης λόγω αβεβαιότητας που μπορεί να προκύψει κατά τη βαθμονόμησή του με διαφορετικούς χρήστες. Τα αυτόματα μοντέλα απαιτούν επίσης τεράστια προεπεξεργασία, όπως η συναρμολόγηση διαφόρων στρωμάτων, το τοπικό κλίμα, τα δορυφορικά δεδομένα, οι χρήσεις γης/κάλυψη, οι χάρτες εδάφους και η εισαγωγή δεδομένων. Το EEFlux όχι μόνο παρέχει έναν αυτόματο μηχανισμό εισαγωγής δεδομένων, αλλά συνδέεται επίσης με το Google Earth Engine (GEE) με τον αλγόριθμο METRIC και παρέχει χάρτες για το Landsat 5, 7, ή 8. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν εικόνες Landsat 5 και 8. 

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Περιγραφή της Περιοχής Μελέτης '''

Το κανάλι Rohri είναι ένα κύριο συστατικό του γεωργικού τομέα στη Σινδ και είναι ένα τεχνητό κανάλι χτισμένο στο φράγμα Sukkur με 2,6 εκατομμύρια στρέμματα για άρδευση. Η περιοχή διοίκησης του καναλιού Rohri καλύπτει και παρέχει νερό σε μεγάλα τμήματα των εννέα περιοχών της Σινδ και βρίσκεται σε θερμό κλίμα με ετήσια βροχόπτωση που δεν υπερβαίνει τα 200 mm και ελάχιστη θερμοκρασία 18 ◦C. Οι κύριες καλλιέργειες που παράγονται σε αυτές τις περιοχές είναι το βαμβάκι και το σιτάρι. Το ρύζι καλλιεργείται επίσης σε αυτήν την περιοχή, αλλά δεν συγκαταλέγεται στις κύριες καλλιέργειες. 

''' 2.2. Μεθοδολογία '''

Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών ορίζεται ως η αναλογία της απόδοσης της καλλιέργειας διαιρούμενη με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται για την παραγωγή της και υπολογίστηκε για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι για τη περίοδο Kharif (1998 και 2017) και Rabi (2014–2015 και 2016–2017). Μετρήθηκε σε kg/m3 και οι χρήσεις του νερού των καλλιεργειών, ή ETa, υπολογίζονται από δεδομένα τηλεπισκόπησης. Χρησιμοποιώντας δορυφορικά δεδομένα, η χρήση του νερού των καλλιεργειών μπορεί να μετρηθεί σε μεγαλύτερες χρονικές και χωρικές κλίμακες. Τα κρίσιμα δευτερεύοντα δεδομένα αυτής της μελέτης περιλαμβάνουν διαθεσιμότητα νερού στο κανάλι Rohri (εισροή), μοτίβο καλλιέργειας. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως η άρδευση, η γονιμότητα του εδάφους, ο έλεγχος παρασίτων και ασθενειών και συχνά αυξάνεται από οποιονδήποτε διαχειριστικό παράγοντα που βελτιώνει την παραγωγή των καλλιεργειών, καθώς η εξατμισοδιαπνοή είναι συνήθως λιγότερο αντιδραστική στις αλλαγές αυτών των παραγόντων από την απόδοση. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι απαραίτητη για την κατανόηση της σχέσης μεταξύ νερού και τροφής και οι τιμές της για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι εκτιμήθηκαν χρησιμοποιώντας την εξίσωση (1): 

<center> ''' CWP = y (Yield) /ETa , (1) ''' </center>

όπου, η CWP είναι η Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών (kg/m3 ), το y αντιπροσωπεύει την απόδοση (kg/m2 ), το ETa είναι η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (m3/ha1). Για αυτήν τη μελέτη, η αρδευόμενη περιοχή και οι αποδόσεις σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού ελήφθησαν από το τμήμα υπηρεσιών αναφοράς καλλιεργειών στο Χαϊντεραμπάντ. 

''' 2.3. Σύνολα δεδομένων '''

''' 2.3.1. Δεδομένα καλλιεργειών '''

Τα δεδομένα για τις καλλιέργειες ελήφθησαν από τη στατιστική έκθεση της Σινδ και το τμήμα γεωργίας.

''' 2.3.2. Μάσκες καλλιέργειας '''

Η μάσκα καλλιέργειας μπορεί να οριστεί ως η χωρική πληροφορία της κατανομής των διαφόρων καλλιεργειών. Οι μάσκες καλλιέργειας για σιτάρι (2013–2014) και βαμβάκι και ρύζι (2014–2015) αναπτύχθηκαν από τον Οργανισμό Τροφίμων και Γεωργίας και το Υπουργείο Γεωργίας των Ηνωμένων Πολιτειών ως μέρος του έργου «Γεωργικό Πληροφοριακό Σύστημα - Δημιουργία επαρχιακής ικανότητας στο Πακιστάν για την εκτίμηση, την πρόβλεψη και την αναφορά των καλλιεργειών με βάση την ολοκληρωμένη χρήση των δεδομένων τηλεπισκόπησης». Οι δορυφορικές εικόνες SPOT-5 έχουν χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή αυτών των μάσκες καλλιέργειας. 

''' 2.3.3. Αναφορά Εξατμισοδιαπνοή '''

Για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr), υποθέσαμε ότι η γη ήταν καλυμμένη με γρασίδι και υπολογίσαμε την εξατμισοδιαπνοή από αυτό το γρασίδι. Για τη λεκάνη του Ινδού, σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιούνται τιμές αναφοράς εξατμισοδιαπνοής χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Penman–Monteith.

''' 2.3.4. Δεδομένα Τηλεπισκόπησης '''

Οι εικόνες Landsat λαμβάνονται από την πύλη Earth Engine Evapotranspiration Flux (EEFlux), η οποία παρέχει επεξεργασμένες εικόνες Landsat 5 και 8. Βασίζεται στη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερικοποιημένη βαθμονόμηση και η διαδικασία που βασίζεται στην εικόνα Landsat λειτουργεί στο σύστημα Google Earth Engine. Η χρονική ανάλυση είναι 16 ημέρες με χωρική ανάλυση 30 m. Χρησιμοποιώντας την εξίσωση Penman-Monteith για αναφορά της καλλιέργειας μηδικής, το EEFlux περιλαμβάνει σύστημα αφομοίωσης δεδομένων γης της Βόρειας Αμερικής για την εκτίμηση ET (ETr) αναφοράς. Τα έτη 1998, 2017, 2014–2015 και 2016–2017 επιλέχθηκαν με βάση τις χαμηλές και υψηλές ροές που προέκυψαν από τα δεδομένα ροής χρησιμοποιώντας την ανάλυση συχνότητας. 

''' 2.3.5. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Το EEFlux παρέχει βαθμονομημένες εικόνες που αποδίδουν μια τιμή ETr σε κάθε εικονοστοιχείο και η τιμή της πραγματικής ETa εξατμισοδιαπνοής ανά ημέρα υπολογίστηκε πολλαπλασιάζοντας την ETr και την πιθανή εξατμισοδιαπνοή ETo. Εικόνες και μάσκες καλλιέργειας Landsat εξήγαγαν ETr από τις καλλιέργειες σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού. Οι ημερομηνίες αναφοράς του παράγοντα εξατμισοδιαπνοής (ETrf) επιλέχθηκαν από τα Πρότυπα του Τμήματος Άρδευσης της Σίντ και από τη χρονική περίοδο των σταδίων ανάπτυξης της καλλιέργειας από την αρχική έως την ωριμότητα. Ωστόσο, κάθε καλλιέργεια έχει διαφορετικές χρονικές περιόδους ανάπτυξης. Το ETa θεωρείται ως κατάλοιπο του ενεργειακού ισοζυγίου της επιφάνειας. Δίνεται στην Εξίσωση (2).

<center> ''' LE = Rn − H − G, (2) ''' </center>

όπου, LE είναι η λανθάνουσα ροή θερμότητας Rn είναι καθαρή ακτινοβολία G είναι ροή θερμότητας του εδάφους και H είναι αισθητή ροή θερμότητας. Ο ETrF (συντελεστής εξατμισοδιαπνοής αναφοράς) υπολογίστηκε με την Εξίσωση (3) και η σωρευτική ETa για κάθε εποχή υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας την Εξίσωση (4) για διαφορετικές φάσεις ανάπτυξης της καλλιέργειας, συμπεριλαμβανομένων των σταδίων Αρχικής, Ανάπτυξης, Ανθοφορίας και ωριμότητας. Η μέση πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) όλων των σταδίων πολλαπλασιάζοντας τα ETrF και ETr με συγκεκριμένες ημέρες και πάρτε τις μέσες τιμές όλων των pixel. 

<center> ''' ETrF = ETa ETr(Re f erence ET) , (3) ''' </center>

<center> ''' ETseason = ETrFseasonΣ n q ETr−24, (4) ''' </center>

όπου, το ETrf αντιπροσωπεύει το ET αναφοράς για μια συγκεκριμένη περίοδο σταδίου ανάπτυξης. Το ETr−24 είναι ένα ημερήσιο ET αναφοράς για συγκεκριμένο αριθμό ημερών. Το n υποδηλώνει αριθμό ημερών. Τιμές ETr της απαιτούμενης περιοχής εντολής καναλιού. 

''' 2.4. Ημερολόγια καλλιεργειών '''

Το ημερολόγιο καλλιεργειών διαφέρει για διαφορετικές περιοχές αλλά και από καλλιέργεια σε καλλιέργεια, όπως το σιτάρι που καλλιεργείται στο Rabi και το βαμβάκι που καλλιεργείται στο Kharif. Για τον υπολογισμό της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) χρησιμοποιήθηκαν ημερολόγια καλλιέργειας για τις μεσαίες και κατώτερες περιοχές της Σίντ. Οι ημερομηνίες για το μεσαίο και το κάτω μέρος είναι διαφορετικές για τη σπορά και τη συγκομιδή. Το αρχικό στάδιο σποράς στην κάτω Σίντ ξεκινά ένα μήνα νωρίτερα από τη μεσαία Σίντ. Η καλλιέργεια σιταριού της εποχής Rabi ξεκινά τον Οκτώβριο και τον Νοέμβριο, αντίστοιχα, στα κάτω και στα ανώτερα τμήματα της επαρχίας. Αντίθετα, οι καλλιέργειες βαμβακιού και ρυζιού καλλιεργούνται την περίοδο Kharif από τον Απρίλιο. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΕΙΣ '''

''' 3.1. Το ποτάμι ρέει '''

Αξιολογήθηκαν οι ετήσιες εποχιακές ροές. Το εκατοστημόριο υπολογίζεται από αυτό το διάγραμμα ροής, το οποίο ρέει από το φράγμα Sukkur. Τα δεδομένα N Μέγιστης Ετήσιας Απόρριψης παρατίθενται στον παρακάτω πίνακα (για τη μεγαλύτερη κατάταξη ροής M = 1 και τη μικρότερη κατάταξη ροής M = n ή 21 σε αυτήν τη μελέτη). Ωστόσο, η εξίσωση (4α) δείχνει το μέσο διάστημα δύο εκφορτίσεων ίσου (ή μεγαλύτερου) μεγέθους σε χρόνια μεταξύ των εμφανίσεων που είναι γνωστό ως Διάστημα Υποτροπής (RI). 

<center> ''' RI = (Ν + 1)/Μ , (4α) ''' </center>

όπου, RI = Διάστημα υποτροπής, N = Μέγιστη Ετήσια Απόρριψη, Μ = Κατάταξη. Η εξίσωση (4β) μπορεί να ορίσει μια πιθανότητα ενός δεδομένου μεγέθους μιας πλημμύρας κάθε χρόνο.

<center> ''' P = (1/RI)× 100 , (4β) ''' </center>

Η εικόνα 3α δείχνει τα έτη και τις ροές της σεζόν Rabi από το 1998–1999 έως το 2018–2019 του Sukkur Barrage, ενώ οι τάξεις κατανεμήθηκαν και ταξινομήθηκαν σύμφωνα με τις ροές όπως υψηλή, μεσαία και χαμηλή. Η πιθανότητα υπέρβασης (P) έχει υπολογιστεί για την εποχή Rabi κατά την οποία καλλιεργούνται οι καλλιέργειες σιταριού. Υπήρξε υψηλή ροή το 2014–2015 και η μέση ροή καταγράφηκε το 2003–2004. Το έτος 2016-2017 θεωρήθηκε μέσης ροής και το 2001 το 2002 με την τελευταία κατάταξη, που θεωρήθηκε έτος χαμηλής ροής. Η εικόνα 3b παρουσιάζει την ανάλυση συχνότητας των ροών της εποχής Kharif από το 1998 έως το 2017 του φράγματος Sukkur. Οι ροές κατηγοριοποιήθηκαν ως υψηλές, μεσαίες και χαμηλές. Το 2010 Kharif το υγρό έτος λόγω της πλημμύρας του ποταμού, που προκαλεί ζημιές στη Σίντ. Ως εκ τούτου, το 1998 επιλέχθηκε ως το έτος υψηλής ροής (επόμενο υψηλότερο μετά το 2010). Το έτος μέσης ροής ήταν το 2017 και το έτος χαμηλής ροής ήταν το 2004. Σε αυτή τη μελέτη αναλύθηκαν καλλιέργειες ρυζιού και βαμβακιού που καλλιεργήθηκαν την περίοδο Kharif. 

''' 3.2. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Υπολογίστηκε η πραγματική μηνιαία εξατμισοδιαπνοή, η οποία υπολογίζει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας (CWP). Μπορεί να παρατηρηθεί ότι το αρχικό στάδιο έχει το χαμηλότερο ETa, ενώ το στάδιο της ανθοφορίας έχει την υψηλότερη εξατμισοδιαπνοή αφού σε αυτό το στάδιο απαιτείται περισσότερο νερό για την ανάπτυξη των φυτών.

''' 3.2.1. Καλλιέργεια Σιταριού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή έχει υπολογιστεί χρησιμοποιώντας μάσκες καλλιέργειας για τα τέσσερα στάδια: αρχικό, ανάπτυξη της καλλιέργειας, ανθοφορία και ωριμότητα. Η εικόνα 4α απεικονίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της εποχής Rabi της καλλιέργειας σίτου, που υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας το ETrf και το ETr. Το ETa είναι χαμηλό στο αρχικό στάδιο, καθώς είναι το στάδιο της σποράς, ενώ το ETa ήταν υψηλότερο στο στάδιο της ανθοφορίας (2014–2015). Η εικόνα 4β δείχνει την τιμή ETa για την περίοδο 2016–2017, χαμηλότερη από την τιμή για την περίοδο 2014–2015.

''' 3.2.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) ήταν περισσότερο για την καλλιέργεια βαμβακιού παρά για το σιτάρι. Η Εικόνα 5a παρουσιάζει την ETa για την καλλιέργεια βαμβακιού της περιόδου Kharif του 1998 όταν η ροή ήταν υψηλή και η Εικόνα 5β δείχνει την υψηλότερη τιμή ETa για το 2017, υψηλότερη από το 1998. Το 2017 οι ροές ήταν κανονικές/μέτριες. Αυτό δείχνει ότι οι υψηλότερες ροές δεν συνδέονται απαραίτητα με υψηλότερες τιμές ETa. 

''' 3.2.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η εικόνα 6α απεικονίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας ρυζιού το 1998, την υψηλότερη μεταξύ άλλων καλλιεργειών όπως το σιτάρι και το βαμβάκι, καθώς το ρύζι καταναλώνει περισσότερο νερό. Ωστόσο, το ρύζι δεν είναι η κύρια καλλιέργεια της Σίντ. Η εικόνα 6β παρουσιάζει το ETa του Hyderabad, του Badin και του Matiyari για το 2017. Η καλλιέργεια ρυζιού καλλιεργείται στις συνοικίες της Σίντ, ωστόσο, απαγορεύεται στην Κάτω Σίντ λόγω λειψυδρίας. 

''' 3.3. Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών Κύριων Καλλιεργειών '''

''' 3.3.1. Καλλιέργεια Σιταριού (2014-2015 και 2016-2017) '''

Η μέση παγκόσμια CWP σιταριού είναι 0,86 kg/m3 έως 1,80 kg/m3. Υπάρχουν τρεις παγκόσμιες κατηγορίες για CWP σίτου: χαμηλή (<= 0,75 kg/m3), μεσαία (> 0,75 kg/m3 έως < 1,10 kg/m3) και υψηλή (>= 1,10 kg/m3). Για το Πακιστάν, η μέση CWP είναι 0,80 kg/m3 έως 0,91 kg/m3, η οποία εμπίπτει στη μεσαία κατηγορία. Υπήρξε υψηλότερη ροή το 2014-2015, ενώ το 2016-2017 ήταν μέτρια. Η μέση CWP για την καλλιέργεια σίτου ήταν 1,03 kg/m3 σε 2014–2015 και 1,02 kg/m3 το 2016-2017. Συνολικά, η CWP της καλλιέργειας σιταριού είναι κάτω από το αναφερόμενο εύρος, δηλαδή μεταξύ 0,32 kg/m3 έως 1,08 kg/m3. Λόγω της υπερχείλισης, της αλατότητας, των συνθηκών του εδάφους και της έλλειψης διαθεσιμότητας υπόγειων υδάτων, το CWP της Σινδ είναι μικρότερη από το Παντζάμπ. Η απόδοση σιταριού της Σινδ είναι 33% μικρότερη από την απόδοση σιταριού του Παντζάμπ.

''' 3.3.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η Εικόνα 8 αντιπροσωπεύει το CWP του βαμβακιού για την εποχή Kharif (1998 και 2017). Για τα έτη αυτά, οι τιμές CWP της καλλιέργειας βαμβακιού ήταν σταθερές. Οι μέσες CWP της περιοχής μελέτης των καλλιεργειών βαμβακιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,12 kg/m3 και 0,16 kg/m3,αντίστοιχα. Οι μέσες τιμές CWP για το βαμβάκι ήταν 0,22 kg/m3 και 0,26 kg/m3. Η χαμηλότερη CWP του Badin οφείλεται στην κακή ποιότητα της εικόνας, έτσι, έγινε δύσκολος ο υπολογισμός της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής και εφαρμόστηκαν διορθώσεις στο σύννεφο όπου η κάλυψη του νέφους ήταν περίπου 50%. 

''' 3.3.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η Εικόνα 9 δείχνει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας του ρυζιού που καλλιεργείται στην περιοχή μελέτης. Οι περισσότερες από τις καλλιέργειες που επιλέχθηκαν σε αυτή τη μελέτη είναι κύριες καλλιέργειες, εκτός από το ρύζι. Το ρύζι είναι μια από τις άλλες καλλιέργειες που η κυβέρνηση της Σινδ απαγόρευσε λόγω της έλλειψης νερού,ωστόσο, το ρύζι καλλιεργήθηκε το 1998 σε όλη τη Σινδ. Συνολικά, οι μέσες τιμές CWP ρυζιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,32 kg/m3 και 0,54 kg/m3, αντίστοιχα. Δεδομένου ότι το ρύζι δεν απαγορεύτηκε το 1998 στην περιοχή μελέτης, το νερό για άλλες καλλιέργειες χρησιμοποιήθηκε για το ρύζι. Οι άλλες καλλιέργειες πήραν αρκετό νερό μετά τη διακοπή της καλλιέργειας ρυζιού.

''' 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Αυτή η μελέτη υπολόγισε την παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών (CWP) του σιταριού, του βαμβακιού και του ρυζιού του Καναλιού Rohri, χρησιμοποιώντας δεδομένα τηλεπισκόπησης στο περιβάλλον GIS. Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή υπολογίστηκε για τις εννέα περιοχές για δύο εποχές Rabi (2014 -2015 και 2016–2017) και δύο εποχές Kharif (1998 και 2017). Τα έτη επιλέχθηκαν με βάση τις υψηλές και μέτριες ροές που περνούσαν από το φράγμα Sukkur. Το ETa ήταν υψηλότερο στην καλλιέργεια ρυζιού, ενώ ήταν μικρότερο από την καλλιέργεια βαμβακιού για την καλλιέργεια σιταριού, καθώς το ETa εξαρτάται από τον τύπο της καλλιέργειας, διότι ορισμένες καλλιέργειες χρειάζονται περισσότερο νερό από άλλες. Τα αποτελέσματα της μελέτης συνόψισαν ότι η εκτίμηση του πραγματικού ET είναι ζωτικής σημασίας για τη διαχείριση του νερού άρδευσης και των συνθηκών καταπόνησης των καλλιεργειών. Αυτή η χρήση του μοντέλου EEFlux για τη λήψη εικόνων ETrf είναι εφικτή για την επεξεργασία τους με ελάχιστη προσπάθεια. Η μέση CWP της καλλιέργειας σιταριού για την περίοδο 2014–2015 και 2016–2017 ήταν, αντίστοιχα, 1,03 kg/m3 και 1,02 kg/m3, ενώ η CWP αυξήθηκε το έτος 2014–2015 σε σύγκριση με το 2016–2017. Υπάρχει περιορισμός δεδομένων σε τρεις περιφέρειες (Matiyari, Tando Allahyar και Tando Muhammad Khan) σχετικά με την περιοχή καλλιέργειας και την παραγωγή βαμβακιού και ρυζιού το 1998, επομένως, υπολογίστηκε η μέσα CWP βαμβακιού και ρυζιού μόνο για έξι περιοχές. Το 1998, συνολικά, η CWP αυξήθηκε και για τις δύο καλλιέργειες, ωστόσο, το ρύζι έχει απαγορευτεί από την κυβέρνηση της Σίντ στην επαρχία Σιντ λόγω της έλλειψης νερού. Το ρύζι παίρνει περισσότερο νερό από άλλες καλλιέργειες και το εξοικονομημένο νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οικιακούς και βιομηχανικούς σκοπούς. Η CWP επηρεάζεται από γεωργικές πρακτικές που περιλαμβάνουν προετοιμασία γης, μεθόδους σποράς, ποιότητα σπόρων και εδάφους, εφαρμογή νερού και λιπασμάτων και έλεγχο ζιζανίων και παρασίτων. Η προτεινόμενη προσέγγιση είναι αρκετά εφικτή και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διαφορετικές περιοχές με διάφορες καλλιέργειες, ενώ προωθούνται τεχνικές τηλεπισκόπησης για την αποτελεσματική διαχείριση της φυτικής παραγωγής. 

[[category:Υδατικοί Πόροι]]
[[category:Γεωργία]]

Επιπτώσεις της αστικοποίησης στα υπόγεια ύδατα και στις αλλαγές θερμοκρασίας στην επιφάνεια : Μια μελέτη της πόλης Λαχόρη

2024-02-16T10:20:19Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Impact of Urbanization on Groundwater and Surface Temperature Changes: A Case Study of Lahore City''

'''Συγγραφείς: ''' Huzaifah Zahran, Muhammad Zeeshan Ali, Khan Zaib Jadoon, Hammad Ullah Khan Yousafzai, Khalil Ur Rahman, Nadeem Ahmed Sheikh

'''Δημοσιεύθηκε: ''' ''Sustainability 2023, 15, 6864. https://doi.org/10.3390/su15086864''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Υδατικοί πόροι

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Μελέτη επιπτώσεων αστικοποίησης στα υπόγεια ύδατα και στις αλλαγές θερμοκρασίας '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_L_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Χάρτης τοποθεσίας της περιοχής μελέτης: (α) Χάρτης του Πακιστάν, (β) Χάρτης της επαρχίας Παντζάμπ με βάση τις περιφέρειες, (γ) Ειδικός χάρτης περιοχής μελέτης της Λαχόρης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Μεθοδολογία-Διάγραμμα ροής για την ερευνητική μελέτη, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' (α) Απεικονίζει παραλλαγές χρονοσειρών της συνολικής αποθήκευσης νερού (TWS), (β) Απεικονίζει την αποθήκευση υπόγειων υδάτων (GWS), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' Οι χρονικές διακυμάνσεις: (α) Υγρασία εδάφους, (β) Αποθήκευση νερού από θόλο (CWS), (γ) Επιφανειακό νερό (SW), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' Παραλλαγές χρονοσειρών GWS και Κατακρήμνισης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' Δείχνει τη συσχέτιση των δεδομένων σταθμών παρακολούθησης υπόγειων υδάτων με GWS που βασίζεται στο GRACE σε δύο διαφορετικές τοποθεσίες, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Χάρτες κάλυψης γης για δεκαετία: (α) Χάρτης κάλυψης γης του 1990, (β) Χάρτης κάλυψης γης του 2000, (γ) Χάρτης κάλυψης γης του 2010, (δ) Χάρτης κάλυψης γης του 2020, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Χρονική αλλαγή της αστικής/δομημένης περιοχής, της βλάστησης και της άγονης γης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Χάρτες θερμοκρασίας επιφάνειας γης για την περιοχή μελέτης: (α) Χάρτης του 1990, (β) Χάρτης του 2000, (γ) Χάρτης του 2010, (δ) Χάρτης του 2020, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

Με την αυξανόμενη ζήτηση για γλυκό νερό λόγω της πληθυσμιακής αύξησης και της αστικοποίησης, η πίεση στους παγκόσμιους υπόγειους υδάτινους πόρους έχει αυξηθεί τρομερά. Η κύρια πηγή παροχής νερού στην αστικοποιημένη περιοχή είναι κυρίως τα υπόγεια ύδατα που χρησιμοποιούν για οικιακή χρήση ή φρεάτια. Η υπερβολική εξάρτηση και η εξόρυξη των υπόγειων υδάτων συχνά οδηγούν στην εξάντληση της αποθήκευσης των υπόγειων υδάτων στην περιοχή. Σχεδόν το 50% του συνολικού παγκόσμιου πόσιμου νερού, το 40% του νερού χρησιμοποιείται σε άρδευση και σχεδόν το ένα τρίτο του νερού που απαιτείται από τη βιομηχανία χρησιμοποιείται από τους υπόγειους υδάτινους πόρους παγκοσμίως. Τα υπόγεια ύδατα αποτελούν μέρος του οικοσυστήματος που εμποδίζει την εισχώρηση θαλασσινού νερού και διατηρεί τη βασική ροή στα περισσότερα ποτάμια, η οποία αποτελεί μέρος του παγκόσμιου υδρολογικού κύκλου. Οι δορυφόροι Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) παρείχαν μια νέα προοπτική σχετικά με τις μεθόδους για την ακριβή παρακολούθηση των πηγών υπόγειων υδάτων του κόσμου, καθώς παρατηρεί τις αλλαγές στα πεδία βαρύτητας που προκύπτουν από τις διακυμάνσεις της μάζας στην επιφάνεια της γης, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διαμόρφωση της Συνολικής Αποθήκευσης Νερού (TWS). Το TWS είναι ένας συνδυασμός υγρασίας εδάφους (SM), αλλαγής αποθήκευσης υπόγειων υδάτων (GWSC) και εξαρτήματα μάζας που μεταβάλλουν τη βαρύτητα, όπως αποθήκευση επιφανειακών υδάτων, πάγος και χιόνι. Το GWSC μπορεί περαιτέρω να απομονωθεί από το TWS εκτιμώντας μεμονομένα εξαρτήματα, όπως αποθήκευση SM και επιφανειακών υδάτων, με τη βοήθεια Μοντέλων Επιφανειών Γης Global Land Data Assimilation System (GLDAS). Με τη βοήθεια των δορυφόρων GRACE, είναι εύκολο να παρακολουθούνται οι υπόγειοι υδάτινοι πόροι μεγάλων περιοχών με πολύ λιγότερες προσπάθειες, ωστόσο, είναι δύσκολο να αξιοποιήσει τα περιορισμένα δεδομένα απευθείας για αποφάσεις διαχείρισης. Η ανάλυση μπορεί να βελτιωθεί ενσωματώνοντας διάφορες προσεγγίσεις ισοζυγίου ενέργειας και μάζας μαζί με τοπικές μετρήσεις με τα δεδομένα GRACE για την εκτίμηση της αλλαγής στη συνολική αποθήκευση νερού, η οποία μπορεί να χρησιμοποιείται ως αναπαράσταση της μεταβολής της μάζας των υπόγειων υδάτων. Οι αλλαγές στη μάζα των υπόγειων υδάτων μπορούν περαιτέρω να συνδεθούν με σημαντικές αλλαγές στις χρήσεις γης και την κάλυψη γης (LULC) παγκοσμίως. Αυτές οι αλλαγές στο LULC μπορούν να συνδεθούν άμεσα με τη επίδραση φυσικών και ανθρωπογενών δραστηριοτήτων, οι οποίες επηρεάζουν σημαντικά το οικοσύστημα αυτών των λεκανών απορροής. Αυτές οι δραστηριότητες συνεπάγονται υψηλή αύξηση της αστικοποίησης, με αποτέλεσμα να υπάρχει επιζήμια επίδραση στους υπόγειους υδάτινους πόρους καθώς μειώνει σοβαρά την ικανότητα επαναφόρτισης της λεκάνης απορροής. Επομένως, είναι σημαντικό να συμπεριληφθούν οι επιπτώσεις του LULC στις πηγές υπόγειων υδάτων ενώ αναλύονται οι αλλαγές στην αποθήκευση των υπόγειων υδάτων οποιασδήποτε λεκάνης απορροής. Το ποσοστό της αδιαπέραστης περιοχής είναι υψηλότερο σε μια αστική περιοχή και, ως εκ τούτου, η θερμοκρασία της επιφάνειας είναι υψηλότερη από ό, τι σε μια περιοχή με βλάστηση. Αυτό συμβαίνει επειδή διαφορετικές επιφάνειες έχουν διαφορετική θερμική ικανότητα. Έτσι, όταν δέχονται παρόμοια ηλιακή ακτινοβολία, παρουσιάζουν διαφορετικές επιφανειακές θερμοκρασίες. Αυτές οι αλλαγές πρέπει να διερευνηθούν μέσω των πιο πρόσφατων διαθέσιμων τεχνικών, συμπεριλαμβανομένων των Συστημάτων Γεωγραφικών Πληροφοριών (GIS) και της τηλεπισκόπησης. Με το αυξανόμενο φορτίο στις παγκόσμιες πηγές υπόγειων υδάτων ως αποτέλεσμα της υψηλής ζήτησης γλυκού νερού λόγω της αυξανόμενης αστικοποίησης, υπάρχει τεράστια πίεση στους υπόγειους υδάτινους πόρους σε χώρες όπως το Πακιστάν. Πάνω από το 60% του νερού που καταναλώνεται για άρδευση και σχεδόν το 90% του πόσιμου νερού εξάγεται από τα υπόγεια ύδατα. Πάνω από 1 εκατομμύριο φρεάτια έχουν εγκατασταθεί και αντλούν υπόγεια ύδατα από την επαρχία Παντζάμπ, η οποία έχει οδηγήσει σε σοβαρή εξάντληση των υπόγειων υδάτινων πόρων. Οι παρατηρήσεις που καταγράφονται από τα φρεάτια παρακολούθησης είναι η κύρια πηγή πληροφοριών που χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση των συστημάτων υπόγειων υδάτων. Επιπλέον, η έλλειψη επαρκούς παρακολούθησης των φρεατίων σε περιοχές μεγάλης κλίμακας θέτει ένα ερωτηματικό στην αξιοπιστία και τη διαθεσιμότητα των δεδομένων που απαιτούνται από τους διαχειριστές των υπόγειων υδάτων, ωθώντας την ερευνητική κοινότητα να επιδιώξει νέες μεθόδους. Οι τεχνικές GIS και τηλεπισκόπησης έχουν αρχίσει να αποδεικνύονται για να καλύψουν αυτό το κενό. Αυτή η μελέτη επικεντρώθηκε κυρίως στην επίδραση της αλλαγής της κάλυψης του εδάφους στις αλλαγές των υπόγειων υδάτων και περαιτέρω αξιολόγηση των επιπτώσεων της εξάντλησης των υπόγειων υδάτων. 

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Περιοχή μελέτης '''

Η Λαχόρη είναι βιομηχανικός κόμβος και πρωτεύουσα της επαρχίας Παντζάμπ του Πακιστάν. Η συνολική ρύπανση στη Λαχόρη ήταν 6,3 εκατομμύρια το 1998 που αυξήθηκε σε 11,2 εκατομμύρια με ετήσια αύξηση 3% σύμφωνα με την πιο πρόσφατη απογραφή του 2017. Η περιοχή μελέτης βρίσκεται στην αριστερή όχθη του ποταμού Ράβι, με συνολική έκταση 1842 km2. Η γεωγραφική έκταση της Λαχόρης είναι 31◦130–31◦430 Β γεωγραφικό πλάτος και 74◦0 0–74◦39,50 Α γεωγραφικό μήκος. Από την άποψη του πληθυσμού, η Λαχόρη είναι η μεγαλούπολη της επαρχίας Παντζάμπ με περισσότερο από το 98% των ανθρώπων να ζουν σε αστικές περιοχές. Η Λαχόρη είναι γνωστή για την ιστορική της κουλτούρα, την υψηλή ακαδημαϊκή κοινότητα και την αλληλεπίδρασή της με τη γειτονική χώρα της Ινδίας. Η Λαχόρη έχει μια παλιά πολιτιστική κληρονομιά, η οποία προσελκύει το μεγαλύτερο μέρος του διεθνούς τουρισμού της περιοχής. Μετά τη συνθήκη του Ινδού για το νερό, η παροχή επιφανειακών υδάτων στο Παντζάμπ επηρεάστηκε σοβαρά και η Λαχόρη, που βρίσκεται στην όχθη του ποταμού Ράβι, ήταν μεταξύ των βασικών πόλεων που επλήγησαν. Η εισροή επιφανειακών υδάτων στη Λαχόρη μειώθηκε λόγω της μείωσης των εισροών από τον ποταμό Ράβι. Έτσι, για να ικανοποιηθεί η υψηλή ζήτηση νερού, το μεγαλύτερο μέρος του φορτίου μεταφέρθηκε στους υπόγειους υδάτινους πόρους της πόλης. Το 2014, υπολογίστηκε ότι η χρήση υπόγειων υδάτων στην πόλη ήταν περίπου 2,61 km3 ενώ η επαναφόρτιση ήταν μόνο 2,53 km3. Σχεδόν το 53% των υπόγειων υδάτων που εξορύσσονταν χρησιμοποιούνταν για οικιακούς σκοπούς, ενώ το υπόλοιπο 47% χρησιμοποιήθηκε για γεωργικούς, βιομηχανικούς και εμπορικούς σκοπούς. Η πόλη της Λαχόρης κατανέμεται σε εννέα διοικητικούς δήμους που διαχειρίζονται η διοίκηση τοπικής κλίμακας, δηλαδή, η δημοτική διοίκηση της πόλης και η περιοχή καντονιού του στρατού. Η χειμερινή περίοδος είναι από τον Νοέμβριο έως τον Μάρτιο και οι πιο κρύοι μήνες είναι ο Δεκέμβριος και ο Ιανουάριος με θερμοκρασία από 0 ◦C έως 3 ◦C. Τον Μάιο και τον Ιούνιο, με την υψηλότερη θερμοκρασία 48 ◦C, η μέση θερμοκρασία κατά τη διάρκεια της ημέρας στην περιοχή είναι από 40 ◦C έως 45 ◦C. Κατά τη διάρκεια της εποχής των μουσώνων, η Λαχόρη δέχεται υψηλές βροχοπτώσεις περίπου 600 mm τον Ιούλιο και τον Αύγουστο.

''' 2.2. Σύνολα δεδομένων '''

''' 2.2.1. Δεδομένα GRACE '''

Τα GRACE και GRACE-Follow On (GRACE-FO) είχαν ως στόχο τη μελέτη του παγκόσμιου κλίματος και της βαρύτητας της γης. Προηγούμενες μελέτες χρησιμοποιούσαν και τις δύο παρατηρήσεις, τα συνέκριναν με τα επί τόπου δεδομένα εδάφους και διαπίστωσαν ότι οι προσεγγίσεις Mascon (MSC) συσχετίζονται περισσότερο με την παρακολούθηση των υπόγειων υδάτων. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήσαμε μηνιαία παγκόσμια δεδομένα MSC από το κέντρο επεξεργασίας δεδομένων του Κέντρου Διαστημικής Έρευνας. Το Mascon έχει χωρική ανάλυση 3 μοιρών τόξου σε όλη την επιφάνεια της γης, όμως αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε τα δεδομένα των 0,5 μοιρών με το φίλτρο βελτίωσης ανάλυσης ακτών. Τα δεδομένα έχουν εξαχθεί για την περιοχή μελέτης από παγκόσμια προϊόντα για την εύρεση της χερσαίας αποθήκευσης νερού από το 2003 έως το 2021.

''' 2.2.2. Στοιχεία GLDAS '''

Το Παγκόσμιο Σύστημα Αφομοίωσης Δεδομένων Γης (GLDAS) αναφέρεται στην επίγεια μοντελοποίηση που ενσωματώνει προϊόντα δορυφορικών δεδομένων και επίγειες παρατηρήσεις. Το GLDAS χρησιμοποιεί τέσσερα είδη μοντέλων επιφανειών γης, συγκεκριμένα το Mosaic, Noah, Variable Infiltration Capacity και Community Land Model. Αυτή η μελέτη χρησιμοποιεί τα δεδομένα που προέρχονται από το Noah με χωρική ανάλυση 0,25◦ × 0,25◦. Η αποθήκευση νερού στο φύλλωμα, η υγρασία του εδάφους και το ισοδύναμο νερού χιονιού εξάγεται από το Noah από τον Ιανουάριο του 2003 έως τον Δεκέμβριο του 2021.

''' 2.2.3. Δεδομένα TRMM '''

Η αποστολή μέτρησης τροπικών βροχοπτώσεων (TRMM) είναι μια κοινή δορυφορική αποστολή της Ιαπωνικής Υπηρεσίας Αεροδιαστημικής Εξερεύνησης και της Εθνικής Υπηρεσίας Αεροναυπηγικής και Διαστήματος για να βρει τη βροχόπτωση για κλιματική έρευνα. Το προϊόν είναι διαθέσιμο σε παγκόσμια κλίμακα από 50◦ Β έως 50◦ Ν. Τα μηνιαία δεδομένα με χωρική ανάλυση 0,25◦ × 0,25◦ χρησιμοποιήθηκαν για αυτή η μελέτη.

''' 2.2.4. Δεδομένα Landsat '''

Για τη χαρτογράφηση εδαφών, η ανάλυση περιλαμβάνει εικόνες από το 1990, το 2000, το 2010 και το 2020. Τα δεδομένα λαμβάνονται από το Landsat 5 και το Landsat 8 με χωρική ανάλυση 30 m. 

''' 2.3. Μεθοδολογία '''

''' 2.3.1. GRACE Επεξεργασία '''

Οι μηνιαίες λύσεις GRACE Mascon μας δίνουν συνολική αποθήκευση νερού με μια
μέση τιμή 300 × 300 km.Τα δεδομένα αλλάζουν μέγεθος σε διαφορετικές αναλύσεις pixel, δηλαδή 1◦ και 0,5◦ μοίρες. Μέχρι τώρα, η υψηλότερη ανάλυση είναι 0,5 μοίρες. Σε αυτή την μελέτη, τα δεδομένα συνολικής αποθήκευσης νερού χρησιμοποιήθηκαν από το 2003 έως το 2021. Τα δεδομένα GLDAS είναι διαθέσιμα στις 0,25 μοίρες, έτσι ώστε η διάσταση να είναι συνεπής και το μέγεθος των δεδομένων GRACE άλλαξε περαιτέρω σε 0,25 από 0,5 μοίρες. Η εξίσωση (1) δείχνει τον συνδυασμό των υπόγειων υδάτων και άλλων μεταβλητών στη συνολική αποθήκευση χερσαίων υδάτων. 

<center> ''' ΔTWS = (ΔGW) + (ΔSWE) + (ΔSM) + (ΔCWS), (1) ''' </center>

''' 2.3.2. Times Series Analysis of GRACE-Based GWS '''

Το GLDAS χρησιμοποιεί μοντέλα επιφάνειας γης για να βρει τη διαφορετική μεταβλητή ποσότητα αποθηκευμένου νερού. Τα δεδομένα GLDAS μετατρέπονται σε εκατοστά για να συνάδουν με τα δεδομένα GRACE. Επιπλέον, η χωρική ανάλυση είναι 0,25 × 0,25 μοίρες και η εξίσωση (2) χρησιμοποιείται για την εξαγωγή ανωμαλιών υπόγειων υδάτων. 

<center> ''' ΔGW = (ΔTWS) + ((ΔSWE) + (ΔSM) + (ΔCWS)), (2) ''' </center>

''' 2.3.3. Χαρτογράφηση κάλυψης γης '''

Διαφορετικοί ερευνητές χρησιμοποιούν πολλαπλούς ταξινομητές για ταξινομήσεις κάλυψης γης. Οι εικόνες υποβλήθηκαν σε προεπεξεργασία πριν από περαιτέρω ανάλυση. Ο ταξινομητής μέγιστης πιθανοφάνειας λειτουργεί σε πολυμεταβλητές συναρτήσεις πυκνότητας πιθανότητας κλάσεων για κάθε εικονοστοιχείο. Το εικονοστοιχείο εκχωρείται στη συγκεκριμένη κατηγορία με μέγιστη πιθανότητα φασματικής ανάκλασης στην καθορισμένη τάξη εκπαίδευσης. Η περιοχή μελέτης χωρίζεται σε τέσσερις κύριες κατηγορίες: οικισμό, βλάστηση, άγονη γη και νερό. Συλλέχθηκαν δείγματα εκπαίδευσης για αυτές τις καθορισμένες τάξεις από τις οπτικές εικόνες Landsat-8 με την υποστήριξη πληροφοριών που είναι διαθέσιμες στο Google Earth. Συλλέχθηκαν δεκαέξι σετ δειγμάτων εκπαίδευσης για κάθε κατηγορία κάλυψης γης με εργαλεία ανάπτυξης περιοχής, όπως ο συνολικός αριθμός δειγμάτων εκπαίδευσης για δεδομένα Landsat-8. Με βάση τα συνολικά δείγματα εκπαίδευσης, 70% δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν για το μοντέλο και 30% χρησιμοποιήθηκαν για τη δοκιμή των αποτελεσμάτων του μοντέλου. Η συνολική ακρίβεια έχει αξιολογηθεί με βάση τα δεδομένα δοκιμών. 

''' 2.3.4. Θερμοκρασία επιφάνειας γης '''

Η συλλογική θερμοκρασία των ανέπαφων αντικειμένων στην επιφάνεια της γης είναι γνωστή ως θερμοκρασία της επιφάνειας της γης. Σε όλο τον κόσμο, οι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει πολλαπλές μετρήσεις στη θερμική υπέρυθρη ζώνη. Οι τιμές ελήφθησαν από τα TM, TM+ και OLI σύμφωνα με τη θερμική υπέρυθρη ζώνη με αθροιστική χωρική ανάλυση 30 m, αντίστοιχα. Η τιμή του ψηφιακού αριθμού (DN) κάθε εικονοστοιχείου μετατρέπεται σε φασματική ακτινοβολία χρησιμοποιώντας την εξίσωση (3). 

<center> ''' R = ((LMAX − LMIN)/255) × DN + LMIN, (3) ''' </center>

όπου, R είναι η φασματική ακτινοβολία, LMAX είναι 15.600 (φασματική ακτινοβολία του υψηλότερου DN), και το LMIN είναι 1,238 (φασματική ακτινοβολία του DN που έχει αντίστοιχη τιμή 1). Το DN είναι η ψηφιακή τιμή αυτού του συγκεκριμένου pixel. Το επόμενο βήμα είναι η μετατροπή σε θερμοκρασία χρησιμοποιώντας την εξίσωση (4).

<center> ''' LST = K2/(ln((K1/R) + 1)), (4) ''' </center>

Τα K1 και K2 έχουν τις τιμές 607,76 και 1260,56 για TM και ETM+, και οι αντίστοιχες τιμές OLI είναι 772,88 και 1321,07. Τελικά, το LST μετατράπηκε σε Κελσίου (◦C) από Kelvin.

<center> ''' LST (◦C) = T (K) − 273,15, (5) ''' </center>

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ '''

''' 3.1. Παρακολούθηση ανωμαλιών υπόγειων υδάτων '''

Οι ανωμαλίες αποθήκευσης των υπόγειων υδάτων έχουν εξαχθεί από το GRACE με βάση τη συνολική αποθήκευση νερού και άλλες παραμέτρους από μοντέλα επιφάνειας γης GLDAS. Η περιοχή μελέτης της Λαχόρης έχει εξαντλήσει τους υπόγειους υδάτινους πόρους λόγω της υψηλής χρήσης υπόγειων υδάτων για τη γεωργία και της αστικοποίησης. Η μελέτη έλαβε τη χρονική διάρκεια από το 2003 έως το 2021. H συνολική αποθήκευση νερού στο μεγαλύτερο μέρος της περιοχής μελέτης αντιμετωπίζει συνεχείς φθίνουσες τάσεις. Οι χαμηλότερες τιμές αποθήκευσης υπόγειων υδάτων παρατηρούνται στην περίοδο πριν από τους μουσώνες ενώ έχει αυξηθεί σημαντικά τους μεταμουσώνες μήνες. Η διαρροή από επιφανειακά ύδατα και κανάλια είναι ένας παράγοντας που επηρεάζει την εισροή υπόγειων υδάτων και η μέση πτωτική τάση στην περιοχή είναι −1,2 cm ετησίως. Η Λαχόρη έχει υψηλό αριθμό υγρασίας εδάφους, που κυμαίνεται από -1,5 έως +2. Η υγρασία εδάφους είναι η πιο αποτελεσματική μεταβλητή για την παραγωγή σημάτων GRACE και το μέγεθος της έχει μειωθεί τα τελευταία χρόνια λόγω της αστικής επέκτασης στην περιοχή, η οποία είχε ως αποτέλεσμα τη μείωση του ρυθμού διείσδυσης, γεγονός που οδήγησε περαιτέρω σε μείωση της υγρασίας του εδάφους. Έχουν γίνει πολλές μελέτες για την αστική επέκταση της πόλης Λαχόρη, η οποία μετατράπηκε είτε από άγονη γη είτε από βλάστηση. Η αποθήκευση νερού με φύλλωμα κυμαίνεται από −0,004 έως +0,08 και εμφανίζει υψηλές τιμές στην αρχική περίοδο, οι οποίες μειώθηκαν τα τελευταία χρόνια, απεικονίζοντας μείωση της βλάστησης στην περιοχή μελέτης. Τα επιφανειακά ύδατα στην περιοχή μελέτης είναι λιγοστά. Οι βροχοπτώσεις έχουν υψηλές τιμές την εποχή των μουσώνων το 2013 και το 2014, συμβάλλοντας στην αύξηση των υπόγειων υδάτων στην περιοχή. Για την αποθήκευση υπόγειων υδάτων που βασίζεται στο GRACE, τα αποτελέσματα συσχετίζονται με τα δεδομένα των φρεατίων παρακολούθησης των υπόγειων υδάτων.

''' 3.2. Δυναμική αστικής επέκτασης και χαρτογράφηση κάλυψης γης '''

Η αναπτυξιακή ιστορία και ο σχεδιασμός χρήσης γης έχουν αναφερθεί σε αρκετές μελέτες για την πόλη της Λαχόρης αλλά αυτή η μελέτη ανέδειξε την επίδραση της αστικοποίησης στα υπόγεια ύδατα και την άνοδο της θερμοκρασίας τις τελευταίες δεκαετίες. Η αστική επέκταση είναι δύσκολο να προσδιοριστεί από μια σειρά χωρικών και χρονικών στοιχείων. Η σημαντική συμβολή στην αστική επέκταση στην πόλη της Λαχόρης είναι η μετανάστευση, η φυσική αύξηση και η συγχώνευση γειτονικών χωριών στην αστική περιοχή. Η απρογραμμάτιστη αστικοποίηση προκαλεί απρόβλεπτες μακροπρόθεσμες αλλαγές στο τοπίο της πόλης. Η διερεύνηση της υπάρχουσας οικολογικής κατάστασης της κάλυψης του εδάφους μιας περιοχής, ο εντοπισμός χωρικών και χρονικών αλλαγών είναι η πιο αποτελεσματική μέθοδος για την παρακολούθηση των διακυμάνσεων της γης. Η παρούσα μελέτη εξέτασε την αστική επέκταση από το 1990 έως το 2020 για να αξιολογήσει περαιτέρω τον αντίκτυπο της αστικοποίησης, μέσα από πολυφασματικές δορυφορικές εικόνες Landsat. Η ταχεία αύξηση του πληθυσμού των πόλεων και η αστική επέκταση είναι ο κύριος παράγοντας υψηλής εξόρυξης υπόγειων υδάτων. Η αστική επέκταση από το 1990 έως το 2020 έχει επηρεάσει σε μεγάλο βαθμό τη γεωργική περιοχή της Λαχόρης, καθώς η γεωργική περιοχή μετατρέπεται σε κατοικημένη περιοχή, η οποία επηρεάζει άμεσα και την άνοδο της θερμοκρασίας. Ο διαχωρισμός των χρήσεων γης περιλαμβάνει τρεις κατηγορίες: Άγονη γη, Γεωργική έκταση και Περιοχή χτισίματος. Η αστική επέκταση και άλλες υποδομές όπως η βιομηχανία ασκούν υψηλή πίεση στα υπόγεια ύδατα, καθώς επίσης, η αστική επέκταση επηρεάζει σημαντικά και τη βλάστηση. Kύρια αιτία αύξησης του αστικού πληθυσμού είναι η μετανάστευση από την ύπαιθρο προς την πόλη της Λαχόρη. 

''' 3.3. Αξιολόγηση της Χαρτογράφησης '''

Η άνοδος της θερμοκρασίας φαίνεται ξεκάθαρα στους χάρτες, κυρίως λόγω αστικοποίησης για τα έτη 1990, 2000, 2010 και 2020, με τη θερμοκρασία να κυμαίνεται από 15–41 ◦C, 17 44 ◦C, 21–45 ◦C και 23–47 ◦C, αντίστοιχα. Σε αυτή τη μελέτη, η πόλη της Λαχόρης είχε ελάχιστη θερμοκρασία 15 ◦C το 1990 και μέγιστη θερμοκρασία 47 ◦C το 2020. Ενώ η περιοχή είχε χαμηλή θερμοκρασία επιφάνειας λόγω της υψηλής βλάστησης που κάλυπτε την περιοχή μελέτης με την αστική επέκταση στην περιοχή, αυξήθηκε. Tο μεγαλύτερο μέρος της περιοχής πλέον είναι αστικοποιημένο και η περιοχή έχει πολύ υψηλή θερμοκρασία επιφάνειας με ελάχιστη περιοχή να καλύπτεται από βλάστηση. Οι πυκνοκατοικημένες εμπορικές, βιομηχανικές περιοχές έχουν υψηλότερες επιφανειακές θερμοκρασίες λόγω των αδιαπέραστων επιφανειών, καθώς οι τσιμεντένιες επιφάνειες απορροφούν και αποθηκεύουν θερμότητα κατά τη διάρκεια της ημέρας ενώ την απελευθερώνουν τη νύχτα.

''' 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Η μελέτη χρησιμοποίησε δεδομένα τηλεπισκόπησης για να βρει τη μείωση της αποθήκευσης των υπόγειων υδάτων και τη σύνδεσή της με την αστική επέκταση στη Λαχόρη. Η πόλη της Λαχόρης επεκτείνεται και η αστικοποίησή της καταναλώνει πολλούς φυσικούς πόρους στους οποίους η κύρια κατανάλωση είναι τα υπόγεια ύδατα. Στη Λαχόρη η αστική περιοχή αυξήθηκε από 659 km2 σε 1104 km2 και με τη συνολική αύξηση της αστικοποίησης αυξήθηκε και η θερμοκρασία της περιοχής. Η αύξηση της θερμοκρασίας δείχνει τις επιπτώσεις της αστικοποίησης και της κατανάλωσης των υπόγειων υδάτων, καθώς και ότι μπορεί να οφείλεται στη μείωση της βλάστησης. 

[[category:Υδατικοί Πόροι]]

Επιπτώσεις της αστικοποίησης στα υπόγεια ύδατα και στις αλλαγές θερμοκρασίας στην επιφάνεια : Μια μελέτη της πόλης Λαχόρη

2024-02-16T10:09:00Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Impact of Urbanization on Groundwater and Surface Temperature Changes: A Case Study of Lahore City''

'''Συγγραφείς: ''' Huzaifah Zahran, Muhammad Zeeshan Ali, Khan Zaib Jadoon, Hammad Ullah Khan Yousafzai, Khalil Ur Rahman, Nadeem Ahmed Sheikh

'''Δημοσιεύθηκε: ''' ''Sustainability 2023, 15, 6864. https://doi.org/10.3390/su15086864''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Υδατικοί πόροι

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Μελέτη επιπτώσεων αστικοποίησης στα υπόγεια ύδατα και στις αλλαγές θερμοκρασίας '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_L_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Χάρτης τοποθεσίας της περιοχής μελέτης: (α) Χάρτης του Πακιστάν, (β) Χάρτης της επαρχίας Παντζάμπ με βάση τις περιφέρειες, (γ) Ειδικός χάρτης περιοχής μελέτης της Λαχόρης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Μεθοδολογία-Διάγραμμα ροής για την ερευνητική μελέτη, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' (α) Απεικονίζει παραλλαγές χρονοσειρών της συνολικής αποθήκευσης νερού (TWS), (β) Απεικονίζει την αποθήκευση υπόγειων υδάτων (GWS), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' Οι χρονικές διακυμάνσεις: (α) Υγρασία εδάφους, (β) Αποθήκευση νερού από θόλο (CWS), (γ) Επιφανειακό νερό (SW), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' Παραλλαγές χρονοσειρών GWS και Κατακρήμνισης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' Δείχνει τη συσχέτιση των δεδομένων σταθμών παρακολούθησης υπόγειων υδάτων με GWS που βασίζεται στο GRACE σε δύο διαφορετικές τοποθεσίες, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Χάρτες κάλυψης γης για δεκαετία: (α) Χάρτης κάλυψης γης του 1990, (β) Χάρτης κάλυψης γης του 2000, (γ) Χάρτης κάλυψης γης του 2010, (δ) Χάρτης κάλυψης γης του 2020, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Χρονική αλλαγή της αστικής/δομημένης περιοχής, της βλάστησης και της άγονης γης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Χάρτες θερμοκρασίας επιφάνειας γης για την περιοχή μελέτης: (α) Χάρτης του 1990, (β) Χάρτης του 2000, (γ) Χάρτης του 2010, (δ) Χάρτης του 2020, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

Με την αυξανόμενη ζήτηση για γλυκό νερό λόγω της πληθυσμιακής αύξησης και της αστικοποίησης, η πίεση στους παγκόσμιους υπόγειους υδάτινους πόρους έχει αυξηθεί τρομερά. Η κύρια πηγή παροχής νερού στην αστικοποιημένη περιοχή είναι κυρίως τα υπόγεια ύδατα που χρησιμοποιούν για οικιακή χρήση ή φρεάτια. Η υπερβολική εξάρτηση και η εξόρυξη των υπόγειων υδάτων συχνά οδηγούν στην εξάντληση της αποθήκευσης των υπόγειων υδάτων στην περιοχή. Σχεδόν το 50% του συνολικού παγκόσμιου πόσιμου νερού, το 40% του νερού χρησιμοποιείται σε άρδευση και σχεδόν το ένα τρίτο του νερού που απαιτείται από τη βιομηχανία χρησιμοποιείται από τους υπόγειους υδάτινους πόρους παγκοσμίως. Τα υπόγεια ύδατα αποτελούν μέρος του οικοσυστήματος που εμποδίζει την εισχώρηση θαλασσινού νερού και διατηρεί τη βασική ροή στα περισσότερα ποτάμια, η οποία αποτελεί μέρος του παγκόσμιου υδρολογικού κύκλου. Οι δορυφόροι Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) παρείχαν μια νέα προοπτική σχετικά με τις μεθόδους για την ακριβή παρακολούθηση των πηγών υπόγειων υδάτων του κόσμου, καθώς παρατηρεί τις αλλαγές στα πεδία βαρύτητας που προκύπτουν από τις διακυμάνσεις της μάζας στην επιφάνεια της γης, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διαμόρφωση της Συνολικής Αποθήκευσης Νερού (TWS). Το TWS είναι ένας συνδυασμός υγρασίας εδάφους (SM), αλλαγής αποθήκευσης υπόγειων υδάτων (GWSC) και εξαρτήματα μάζας που μεταβάλλουν τη βαρύτητα, όπως αποθήκευση επιφανειακών υδάτων, πάγος και χιόνι. Το GWSC μπορεί περαιτέρω να απομονωθεί από το TWS εκτιμώντας μεμονομένα εξαρτήματα, όπως αποθήκευση SM και επιφανειακών υδάτων, με τη βοήθεια Μοντέλων Επιφανειών Γης Global Land Data Assimilation System (GLDAS). Με τη βοήθεια των δορυφόρων GRACE, είναι εύκολο να παρακολουθούνται οι υπόγειοι υδάτινοι πόροι μεγάλων περιοχών με πολύ λιγότερες προσπάθειες, ωστόσο, είναι δύσκολο να αξιοποιήσει τα περιορισμένα δεδομένα απευθείας για αποφάσεις διαχείρισης. Η ανάλυση μπορεί να βελτιωθεί ενσωματώνοντας διάφορες προσεγγίσεις ισοζυγίου ενέργειας και μάζας μαζί με τοπικές μετρήσεις με τα δεδομένα GRACE για την εκτίμηση της αλλαγής στη συνολική αποθήκευση νερού, η οποία μπορεί να χρησιμοποιείται ως αναπαράσταση της μεταβολής της μάζας των υπόγειων υδάτων. Οι αλλαγές στη μάζα των υπόγειων υδάτων μπορούν περαιτέρω να συνδεθούν με σημαντικές αλλαγές στις χρήσεις γης και την κάλυψη γης (LULC) παγκοσμίως. Αυτές οι αλλαγές στο LULC μπορούν να συνδεθούν άμεσα με τη επίδραση φυσικών και ανθρωπογενών δραστηριοτήτων, οι οποίες επηρεάζουν σημαντικά το οικοσύστημα αυτών των λεκανών απορροής. Αυτές οι δραστηριότητες συνεπάγονται υψηλή αύξηση της αστικοποίησης, με αποτέλεσμα να υπάρχει επιζήμια επίδραση στους υπόγειους υδάτινους πόρους καθώς μειώνει σοβαρά την ικανότητα επαναφόρτισης της λεκάνης απορροής. Επομένως, είναι σημαντικό να συμπεριληφθούν οι επιπτώσεις του LULC στις πηγές υπόγειων υδάτων ενώ αναλύονται οι αλλαγές στην αποθήκευση των υπόγειων υδάτων οποιασδήποτε λεκάνης απορροής. Το ποσοστό της αδιαπέραστης περιοχής είναι υψηλότερο σε μια αστική περιοχή και, ως εκ τούτου, η θερμοκρασία της επιφάνειας είναι υψηλότερη από ό, τι σε μια περιοχή με βλάστηση. Αυτό συμβαίνει επειδή διαφορετικές επιφάνειες έχουν διαφορετική θερμική ικανότητα. Έτσι, όταν δέχονται παρόμοια ηλιακή ακτινοβολία, παρουσιάζουν διαφορετικές επιφανειακές θερμοκρασίες. Αυτές οι αλλαγές πρέπει να διερευνηθούν μέσω των πιο πρόσφατων διαθέσιμων τεχνικών, συμπεριλαμβανομένων των Συστημάτων Γεωγραφικών Πληροφοριών (GIS) και της τηλεπισκόπησης. Με το αυξανόμενο φορτίο στις παγκόσμιες πηγές υπόγειων υδάτων ως αποτέλεσμα της υψηλής ζήτησης γλυκού νερού λόγω της αυξανόμενης αστικοποίησης, υπάρχει τεράστια πίεση στους υπόγειους υδάτινους πόρους σε χώρες όπως το Πακιστάν. Πάνω από το 60% του νερού που καταναλώνεται για άρδευση και σχεδόν το 90% του πόσιμου νερού εξάγεται από τα υπόγεια ύδατα. Πάνω από 1 εκατομμύριο φρεάτια έχουν εγκατασταθεί και αντλούν υπόγεια ύδατα από την επαρχία Παντζάμπ, η οποία έχει οδηγήσει σε σοβαρή εξάντληση των υπόγειων υδάτινων πόρων. Οι παρατηρήσεις που καταγράφονται από τα φρεάτια παρακολούθησης είναι η κύρια πηγή πληροφοριών που χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση των συστημάτων υπόγειων υδάτων. Επιπλέον, η έλλειψη επαρκούς παρακολούθησης των φρεατίων σε περιοχές μεγάλης κλίμακας θέτει ένα ερωτηματικό στην αξιοπιστία και τη διαθεσιμότητα των δεδομένων που απαιτούνται από τους διαχειριστές των υπόγειων υδάτων, ωθώντας την ερευνητική κοινότητα να επιδιώξει νέες μεθόδους. Οι τεχνικές GIS και τηλεπισκόπησης έχουν αρχίσει να αποδεικνύονται για να καλύψουν αυτό το κενό. Αυτή η μελέτη επικεντρώθηκε κυρίως στην επίδραση της αλλαγής της κάλυψης του εδάφους στις αλλαγές των υπόγειων υδάτων και περαιτέρω αξιολόγηση των επιπτώσεων της εξάντλησης των υπόγειων υδάτων. 

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Περιοχή μελέτης '''

Η Λαχόρη είναι βιομηχανικός κόμβος και πρωτεύουσα της επαρχίας Παντζάμπ του Πακιστάν. Η συνολική ρύπανση στη Λαχόρη ήταν 6,3 εκατομμύρια το 1998 που αυξήθηκε σε 11,2 εκατομμύρια με ετήσια αύξηση 3% σύμφωνα με την πιο πρόσφατη απογραφή του 2017. Η περιοχή μελέτης βρίσκεται στην αριστερή όχθη του ποταμού Ράβι, με συνολική έκταση 1842 km2. Η γεωγραφική έκταση της Λαχόρης είναι 31◦130–31◦430 Β γεωγραφικό πλάτος και 74◦0 0–74◦39,50 Α γεωγραφικό μήκος. Από την άποψη του πληθυσμού, η Λαχόρη είναι η μεγαλούπολη της επαρχίας Παντζάμπ με περισσότερο από το 98% των ανθρώπων να ζουν σε αστικές περιοχές. Η Λαχόρη είναι γνωστή για την ιστορική της κουλτούρα, την υψηλή ακαδημαϊκή κοινότητα και την αλληλεπίδρασή της με τη γειτονική χώρα της Ινδίας. Η Λαχόρη έχει μια παλιά πολιτιστική κληρονομιά, η οποία προσελκύει το μεγαλύτερο μέρος του διεθνούς τουρισμού της περιοχής. Μετά τη συνθήκη του Ινδού για το νερό, η παροχή επιφανειακών υδάτων στο Παντζάμπ επηρεάστηκε σοβαρά και η Λαχόρη, που βρίσκεται στην όχθη του ποταμού Ράβι, ήταν μεταξύ των βασικών πόλεων που επλήγησαν. Η εισροή επιφανειακών υδάτων στη Λαχόρη μειώθηκε λόγω της μείωσης των εισροών από τον ποταμό Ράβι. Έτσι, για να ικανοποιηθεί η υψηλή ζήτηση νερού, το μεγαλύτερο μέρος του φορτίου μεταφέρθηκε στους υπόγειους υδάτινους πόρους της πόλης. Το 2014, υπολογίστηκε ότι η χρήση υπόγειων υδάτων στην πόλη ήταν περίπου 2,61 km3 ενώ η επαναφόρτιση ήταν μόνο 2,53 km3. Σχεδόν το 53% των υπόγειων υδάτων που εξορύσσονταν χρησιμοποιούνταν για οικιακούς σκοπούς, ενώ το υπόλοιπο 47% χρησιμοποιήθηκε για γεωργικούς, βιομηχανικούς και εμπορικούς σκοπούς. Η πόλη της Λαχόρης κατανέμεται σε εννέα διοικητικούς δήμους που διαχειρίζονται η διοίκηση τοπικής κλίμακας, δηλαδή, η δημοτική διοίκηση της πόλης και η περιοχή καντονιού του στρατού. Η χειμερινή περίοδος είναι από τον Νοέμβριο έως τον Μάρτιο και οι πιο κρύοι μήνες είναι ο Δεκέμβριος και ο Ιανουάριος με θερμοκρασία από 0 ◦C έως 3 ◦C. Τον Μάιο και τον Ιούνιο, με την υψηλότερη θερμοκρασία 48 ◦C, η μέση θερμοκρασία κατά τη διάρκεια της ημέρας στην περιοχή είναι από 40 ◦C έως 45 ◦C. Κατά τη διάρκεια της εποχής των μουσώνων, η Λαχόρη δέχεται υψηλές βροχοπτώσεις περίπου 600 mm τον Ιούλιο και τον Αύγουστο.

''' 2.2. Σύνολα δεδομένων '''

''' 2.2.1. Δεδομένα GRACE '''

Τα GRACE και GRACE-Follow On (GRACE-FO) είχαν ως στόχο τη μελέτη του παγκόσμιου κλίματος και της βαρύτητας της γης. Προηγούμενες μελέτες χρησιμοποιούσαν και τις δύο παρατηρήσεις, τα συνέκριναν με τα επί τόπου δεδομένα εδάφους και διαπίστωσαν ότι οι προσεγγίσεις Mascon (MSC) συσχετίζονται περισσότερο με την παρακολούθηση των υπόγειων υδάτων. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήσαμε μηνιαία παγκόσμια δεδομένα MSC από το κέντρο επεξεργασίας δεδομένων του Κέντρου Διαστημικής Έρευνας. Το Mascon έχει χωρική ανάλυση 3 μοιρών τόξου σε όλη την επιφάνεια της γης, όμως αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε τα δεδομένα των 0,5 μοιρών με το φίλτρο βελτίωσης ανάλυσης ακτών. Τα δεδομένα έχουν εξαχθεί για την περιοχή μελέτης από παγκόσμια προϊόντα για την εύρεση της χερσαίας αποθήκευσης νερού από το 2003 έως το 2021.

''' 2.2.2. Στοιχεία GLDAS '''

Το Παγκόσμιο Σύστημα Αφομοίωσης Δεδομένων Γης (GLDAS) αναφέρεται στην επίγεια μοντελοποίηση που ενσωματώνει προϊόντα δορυφορικών δεδομένων και επίγειες παρατηρήσεις. Το GLDAS χρησιμοποιεί τέσσερα είδη μοντέλων επιφανειών γης, συγκεκριμένα το Mosaic, Noah, Variable Infiltration Capacity και Community Land Model. Αυτή η μελέτη χρησιμοποιεί τα δεδομένα που προέρχονται από το Noah με χωρική ανάλυση 0,25◦ × 0,25◦. Η αποθήκευση νερού στο φύλλωμα, η υγρασία του εδάφους και το ισοδύναμο νερού χιονιού εξάγεται από το Noah από τον Ιανουάριο του 2003 έως τον Δεκέμβριο του 2021.

''' 2.2.3. Δεδομένα TRMM '''

Η αποστολή μέτρησης τροπικών βροχοπτώσεων (TRMM) είναι μια κοινή δορυφορική αποστολή της Ιαπωνικής Υπηρεσίας Αεροδιαστημικής Εξερεύνησης και της Εθνικής Υπηρεσίας Αεροναυπηγικής και Διαστήματος για να βρει τη βροχόπτωση για κλιματική έρευνα. Το προϊόν είναι διαθέσιμο σε παγκόσμια κλίμακα από 50◦ Β έως 50◦ Ν. Τα μηνιαία δεδομένα με χωρική ανάλυση 0,25◦ × 0,25◦ χρησιμοποιήθηκαν για αυτή η μελέτη.

''' 2.2.4. Δεδομένα Landsat '''

Για τη χαρτογράφηση εδαφών, η ανάλυση περιλαμβάνει εικόνες από το 1990, το 2000, το 2010 και το 2020. Τα δεδομένα λαμβάνονται από το Landsat 5 και το Landsat 8 με χωρική ανάλυση 30 m. 

''' 2.3. Μεθοδολογία '''

''' 2.3.1. GRACE Επεξεργασία '''

Οι μηνιαίες λύσεις GRACE Mascon μας δίνουν συνολική αποθήκευση νερού με μια
μέση τιμή 300 × 300 km.Τα δεδομένα αλλάζουν μέγεθος σε διαφορετικές αναλύσεις pixel, δηλαδή 1◦ και 0,5◦ μοίρες. Μέχρι τώρα, η υψηλότερη ανάλυση είναι 0,5 μοίρες. Σε αυτή την μελέτη, τα δεδομένα συνολικής αποθήκευσης νερού χρησιμοποιήθηκαν από το 2003 έως το 2021. Τα δεδομένα GLDAS είναι διαθέσιμα στις 0,25 μοίρες, έτσι ώστε η διάσταση να είναι συνεπής και το μέγεθος των δεδομένων GRACE άλλαξε περαιτέρω σε 0,25 από 0,5 μοίρες. Η εξίσωση (1) δείχνει τον συνδυασμό των υπόγειων υδάτων και άλλων μεταβλητών στη συνολική αποθήκευση χερσαίων υδάτων. 

<center> ''' ΔTWS = (ΔGW) + (ΔSWE) + (ΔSM) + (ΔCWS), (1) ''' </center>

''' 2.3.2. Times Series Analysis of GRACE-Based GWS '''

Το GLDAS χρησιμοποιεί μοντέλα επιφάνειας γης για να βρει τη διαφορετική μεταβλητή ποσότητα αποθηκευμένου νερού. Τα δεδομένα GLDAS μετατρέπονται σε εκατοστά για να συνάδουν με τα δεδομένα GRACE. Επιπλέον, η χωρική ανάλυση είναι 0,25 × 0,25 μοίρες και η εξίσωση (2) χρησιμοποιείται για την εξαγωγή ανωμαλιών υπόγειων υδάτων. 

<center> ''' ΔGW = (ΔTWS) + ((ΔSWE) + (ΔSM) + (ΔCWS)), (2) ''' </center>

''' 2.3.3. Χαρτογράφηση κάλυψης γης '''

Διαφορετικοί ερευνητές χρησιμοποιούν πολλαπλούς ταξινομητές για ταξινομήσεις κάλυψης γης. Οι εικόνες υποβλήθηκαν σε προεπεξεργασία πριν από περαιτέρω ανάλυση. Ο ταξινομητής μέγιστης πιθανοφάνειας λειτουργεί σε πολυμεταβλητές συναρτήσεις πυκνότητας πιθανότητας κλάσεων για κάθε εικονοστοιχείο. Το εικονοστοιχείο εκχωρείται στη συγκεκριμένη κατηγορία με μέγιστη πιθανότητα φασματικής ανάκλασης στην καθορισμένη τάξη εκπαίδευσης. Η περιοχή μελέτης χωρίζεται σε τέσσερις κύριες κατηγορίες: οικισμό, βλάστηση, άγονη γη και νερό. Συλλέχθηκαν δείγματα εκπαίδευσης για αυτές τις καθορισμένες τάξεις από τις οπτικές εικόνες Landsat-8 με την υποστήριξη πληροφοριών που είναι διαθέσιμες στο Google Earth. Συλλέχθηκαν δεκαέξι σετ δειγμάτων εκπαίδευσης για κάθε κατηγορία κάλυψης γης με εργαλεία ανάπτυξης περιοχής, όπως ο συνολικός αριθμός δειγμάτων εκπαίδευσης για δεδομένα Landsat-8. Με βάση τα συνολικά δείγματα εκπαίδευσης, 70% δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν για το μοντέλο και 30% χρησιμοποιήθηκαν για τη δοκιμή των αποτελεσμάτων του μοντέλου. Η συνολική ακρίβεια έχει αξιολογηθεί με βάση τα δεδομένα δοκιμών. 

''' 2.3.4. Θερμοκρασία επιφάνειας γης '''

Η συλλογική θερμοκρασία των ανέπαφων αντικειμένων στην επιφάνεια της γης είναι γνωστή ως θερμοκρασία της επιφάνειας της γης. Σε όλο τον κόσμο, οι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει πολλαπλές μετρήσεις στη θερμική υπέρυθρη ζώνη. Οι τιμές ελήφθησαν από τα TM, TM+ και OLI σύμφωνα με τη θερμική υπέρυθρη ζώνη με αθροιστική χωρική ανάλυση 30 m, αντίστοιχα. Η τιμή του ψηφιακού αριθμού (DN) κάθε εικονοστοιχείου μετατρέπεται σε φασματική ακτινοβολία χρησιμοποιώντας την εξίσωση (3). 

<center> ''' R = ((LMAX − LMIN)/255) × DN + LMIN, (3) ''' </center>

όπου, R είναι η φασματική ακτινοβολία, LMAX είναι 15.600 (φασματική ακτινοβολία του υψηλότερου DN), και το LMIN είναι 1,238 (φασματική ακτινοβολία του DN που έχει αντίστοιχη τιμή 1). Το DN είναι η ψηφιακή τιμή αυτού του συγκεκριμένου pixel. Το επόμενο βήμα είναι η μετατροπή σε θερμοκρασία χρησιμοποιώντας την εξίσωση (4).

<center> ''' LST = K2/(ln((K1/R) + 1)), (4) ''' </center>

Τα K1 και K2 έχουν τις τιμές 607,76 και 1260,56 για TM και ETM+, και οι αντίστοιχες τιμές OLI είναι 772,88 και 1321,07. Τελικά, το LST μετατράπηκε σε Κελσίου (◦C) από Kelvin.

<center> ''' LST (◦C) = T (K) − 273,15, (5) ''' </center>

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ '''

''' 3.1. Παρακολούθηση ανωμαλιών υπόγειων υδάτων '''

Οι ανωμαλίες αποθήκευσης των υπόγειων υδάτων έχουν εξαχθεί από το GRACE με βάση τη συνολική αποθήκευση νερού και άλλες παραμέτρους από μοντέλα επιφάνειας γης GLDAS. Η περιοχή μελέτης της Λαχόρης έχει εξαντλήσει τους υπόγειους υδάτινους πόρους λόγω της υψηλής χρήσης υπόγειων υδάτων για τη γεωργία και της αστικοποίησης. Η μελέτη έλαβε τη χρονική διάρκεια από το 2003 έως το 2021. H συνολική αποθήκευση νερού στο μεγαλύτερο μέρος της περιοχής μελέτης αντιμετωπίζει συνεχείς φθίνουσες τάσεις. Οι χαμηλότερες τιμές αποθήκευσης υπόγειων υδάτων παρατηρούνται στην περίοδο πριν από τους μουσώνες ενώ έχει αυξηθεί σημαντικά τους μεταμουσώνες μήνες. Η διαρροή από επιφανειακά ύδατα και κανάλια είναι ένας παράγοντας που επηρεάζει την εισροή υπόγειων υδάτων και η μέση πτωτική τάση στην περιοχή είναι −1,2 cm ετησίως. Η Λαχόρη έχει υψηλό αριθμό υγρασίας εδάφους, που κυμαίνεται από -1,5 έως +2. Η υγρασία εδάφους είναι η πιο αποτελεσματική μεταβλητή για την παραγωγή σημάτων GRACE και το μέγεθος της έχει μειωθεί τα τελευταία χρόνια λόγω της αστικής επέκτασης στην περιοχή, η οποία είχε ως αποτέλεσμα τη μείωση του ρυθμού διείσδυσης, γεγονός που οδήγησε περαιτέρω σε μείωση της υγρασίας του εδάφους. Έχουν γίνει πολλές μελέτες για την αστική επέκταση της πόλης Λαχόρη, η οποία μετατράπηκε είτε από άγονη γη είτε από βλάστηση. Η Αποθήκευση νερού με φύλλωμα κυμαίνεται από −0,004 έως +0,08 και εμφανίζει υψηλές τιμές στην αρχική περίοδο, οι οποίες μειώθηκαν τα τελευταία χρόνια, απεικονίζοντας μείωση της βλάστησης στην περιοχή μελέτης. Τα επιφανειακά ύδατα στην περιοχή μελέτης είναι λιγοστά. Οι βροχοπτώσεις έχουν υψηλές τιμές την εποχή των μουσώνων το 2013 και το 2014, συμβάλλοντας στην αύξηση των υπόγειων υδάτων στην περιοχή. Για την αποθήκευση υπόγειων υδάτων που βασίζεται στο GRACE, τα αποτελέσματα συσχετίζονται με τα δεδομένα των φρεατίων παρακολούθησης των υπόγειων υδάτων.

''' 3.2. Δυναμική αστικής επέκτασης και χαρτογράφηση κάλυψης γης '''

Η αναπτυξιακή ιστορία και ο σχεδιασμός χρήσης γης έχουν αναφερθεί σε αρκετές μελέτες για την πόλη της Λαχόρης αλλά αυτή η μελέτη ανέδειξε την επίδραση της αστικοποίησης στα υπόγεια ύδατα και την άνοδο της θερμοκρασίας τις τελευταίες δεκαετίες. Η αστική επέκταση είναι δύσκολο να προσδιοριστεί από μια σειρά χωρικών και χρονικών στοιχείων. Η σημαντική συμβολή στην αστική επέκταση στην πόλη της Λαχόρης είναι η μετανάστευση, η φυσική αύξηση και η συγχώνευση γειτονικών χωριών στην αστική περιοχή. Η απρογραμμάτιστη αστικοποίηση προκαλεί απρόβλεπτες μακροπρόθεσμες αλλαγές στο τοπίο της πόλης. Η διερεύνηση της υπάρχουσας οικολογικής κατάστασης της κάλυψης του εδάφους μιας περιοχής, ο εντοπισμός χωρικών και χρονικών αλλαγών είναι η πιο αποτελεσματική μέθοδος για την παρακολούθηση των διακυμάνσεων της γης. Η παρούσα μελέτη εξέτασε την αστική επέκταση από το 1990 έως το 2020 για να αξιολογήσει περαιτέρω τον αντίκτυπο της αστικοποίησης, μέσα από πολυφασματικές δορυφορικές εικόνες Landsat. Η ταχεία αύξηση του πληθυσμού των πόλεων και η αστική επέκταση είναι ο κύριος παράγοντας υψηλής εξόρυξης υπόγειων υδάτων. Η αστική επέκταση από το 1990 έως το 2020 έχει επηρεάσει σε μεγάλο βαθμό τη γεωργική περιοχή της Λαχόρης, καθώς η γεωργική περιοχή μετατρέπεται σε κατοικημένη περιοχή, η οποία επηρεάζει άμεσα και την άνοδο της θερμοκρασίας. Ο διαχωρισμός των χρήσεων γης περιλαμβάνει τρεις κατηγορίες: Άγονη γη, Γεωργική έκταση και Περιοχή χτισίματος. Η αστική επέκταση και άλλες υποδομές όπως η βιομηχανία ασκούν υψηλή πίεση στα υπόγεια ύδατα, καθώς επίσης, η αστική επέκταση επηρεάζει σημαντικά και τη βλάστηση. Kύρια αιτία αύξησης του αστικού πληθυσμού είναι η μετανάστευση από την ύπαιθρο προς την πόλη της Λαχόρη. 

''' 3.3. Αξιολόγηση της Χαρτογράφησης '''

Η άνοδος της θερμοκρασίας φαίνεται ξεκάθαρα στους χάρτες, κυρίως λόγω αστικοποίησης για τα έτη 1990, 2000, 2010 και 2020, με τη θερμοκρασία να κυμαίνεται από 15–41 ◦C, 17 44 ◦C, 21–45 ◦C και 23–47 ◦C, αντίστοιχα. Σε αυτή τη μελέτη, η πόλη της Λαχόρης είχε ελάχιστη θερμοκρασία 15 ◦C το 1990 και μέγιστη θερμοκρασία 47 ◦C το 2020. Ενώ η περιοχή είχε χαμηλή θερμοκρασία επιφάνειας λόγω της υψηλής βλάστησης που κάλυπτε την περιοχή μελέτης με την αστική επέκταση στην περιοχή, αυξήθηκε. Tο μεγαλύτερο μέρος της περιοχής πλέον είναι αστικοποιημένο και η περιοχή έχει πολύ υψηλή θερμοκρασία επιφάνειας με ελάχιστη περιοχή να καλύπτεται από βλάστηση. Οι πυκνοκατοικημένες εμπορικές, βιομηχανικές περιοχές έχουν υψηλότερες επιφανειακές θερμοκρασίες λόγω των αδιαπέραστων επιφανειών, καθώς οι τσιμεντένιες επιφάνειες απορροφούν και αποθηκεύουν θερμότητα κατά τη διάρκεια της ημέρας ενώ την απελευθερώνουν τη νύχτα.

''' 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Η μελέτη χρησιμοποίησε δεδομένα τηλεπισκόπησης για να βρει τη μείωση της αποθήκευσης των υπόγειων υδάτων και τη σύνδεσή της με την αστική επέκταση στη Λαχόρη. Η πόλη της Λαχόρης επεκτείνεται και η αστικοποίησή της καταναλώνει πολλούς φυσικούς πόρους στους οποίους η κύρια κατανάλωση είναι τα υπόγεια ύδατα. Στη Λαχόρη η αστική περιοχή αυξήθηκε από 659 km2 σε 1104 km2 και με τη συνολική αύξηση της αστικοποίησης αυξήθηκε και η θερμοκρασία της περιοχής. Η αύξηση της θερμοκρασίας δείχνει τις επιπτώσεις της αστικοποίησης και της κατανάλωσης των υπόγειων υδάτων, καθώς και ότι μπορεί να οφείλεται στη μείωση της βλάστησης. 

[[category:Υδατικοί Πόροι]]

Επιπτώσεις της αστικοποίησης στα υπόγεια ύδατα και στις αλλαγές θερμοκρασίας στην επιφάνεια : Μια μελέτη της πόλης Λαχόρη

2024-02-16T07:53:04Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Impact of Urbanization on Groundwater and Surface Temperature Changes: A Case Study of Lahore City''

'''Συγγραφείς: ''' Huzaifah Zahran, Muhammad Zeeshan Ali, Khan Zaib Jadoon, Hammad Ullah Khan Yousafzai, Khalil Ur Rahman, Nadeem Ahmed Sheikh

'''Δημοσιεύθηκε: ''' ''Sustainability 2023, 15, 6864. https://doi.org/10.3390/su15086864''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Υδατικοί πόροι

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Μελέτη επιπτώσεων αστικοποίησης στα υπόγεια ύδατα και στις αλλαγές θερμοκρασίας '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_L_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Χάρτης τοποθεσίας της περιοχής μελέτης: (α) Χάρτης του Πακιστάν, (β) Χάρτης της επαρχίας Παντζάμπ με βάση τις περιφέρειες, (γ) Ειδικός χάρτης περιοχής μελέτης της Λαχόρης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Μεθοδολογία-Διάγραμμα ροής για την ερευνητική μελέτη, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' (α) Απεικονίζει παραλλαγές χρονοσειρών της συνολικής αποθήκευσης νερού (TWS), (β) Απεικονίζει την αποθήκευση υπόγειων υδάτων (GWS), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' Οι χρονικές διακυμάνσεις: (α) Υγρασία εδάφους, (β) Αποθήκευση νερού από θόλο (CWS), (γ) Επιφανειακό νερό (SW), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' Παραλλαγές χρονοσειρών GWS και Κατακρήμνισης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' Δείχνει τη συσχέτιση των δεδομένων σταθμών παρακολούθησης υπόγειων υδάτων με GWS που βασίζεται στο GRACE σε δύο διαφορετικές τοποθεσίες, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Χάρτες κάλυψης γης για δεκαετία: (α) Χάρτης κάλυψης γης του 1990, (β) Χάρτης κάλυψης γης του 2000, (γ) Χάρτης κάλυψης γης του 2010, (δ) Χάρτης κάλυψης γης του 2020, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Χρονική αλλαγή της αστικής/δομημένης περιοχής, της βλάστησης και της άγονης γης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Χάρτες θερμοκρασίας επιφάνειας γης για την περιοχή μελέτης: (α) Χάρτης του 1990, (β) Χάρτης του 2000, (γ) Χάρτης του 2010, (δ) Χάρτης του 2020, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

Με την αυξανόμενη ζήτηση για γλυκό νερό λόγω της πληθυσμιακής αύξησης και της αστικοποίησης, η πίεση στους παγκόσμιους υπόγειους υδάτινους πόρους έχει αυξηθεί τρομερά. Η κύρια πηγή παροχής νερού στην αστικοποιημένη περιοχή είναι κυρίως τα υπόγεια ύδατα που χρησιμοποιούν για οικιακή χρήση ή φρεάτια. Η υπερβολική εξάρτηση και η εξόρυξη των υπόγειων υδάτων συχνά οδηγούν στην εξάντληση της αποθήκευσης των υπόγειων υδάτων στην περιοχή. Σχεδόν το 50% του συνολικού παγκόσμιου πόσιμου νερού, το 40% του νερού χρησιμοποιείται σε άρδευση και σχεδόν το ένα τρίτο του νερού που απαιτείται από τη βιομηχανία χρησιμοποιείται από τους υπόγειους υδάτινους πόρους παγκοσμίως. Τα υπόγεια ύδατα αποτελούν μέρος του οικοσυστήματος που εμποδίζει την εισχώρηση θαλασσινού νερού και διατηρεί τη βασική ροή στα περισσότερα ποτάμια, η οποία αποτελεί μέρος του παγκόσμιου υδρολογικού κύκλου. Οι δορυφόροι Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) παρείχαν μια νέα προοπτική σχετικά με τις μεθόδους για την ακριβή παρακολούθηση των πηγών υπόγειων υδάτων του κόσμου, καθώς παρατηρεί τις αλλαγές στα πεδία βαρύτητας που προκύπτουν από τις διακυμάνσεις της μάζας στην επιφάνεια της γης, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διαμόρφωση της Συνολικής Αποθήκευσης Νερού (TWS). Το TWS είναι ένας συνδυασμός υγρασίας εδάφους (SM), αλλαγής αποθήκευσης υπόγειων υδάτων (GWSC) και εξαρτήματα μάζας που μεταβάλλουν τη βαρύτητα, όπως αποθήκευση επιφανειακών υδάτων, πάγος και χιόνι. Το GWSC μπορεί περαιτέρω να απομονωθεί από το TWS εκτιμώντας μεμονομένα εξαρτήματα, όπως αποθήκευση SM και επιφανειακών υδάτων, με τη βοήθεια Μοντέλων Επιφανειών Γης Global Land Data Assimilation System (GLDAS). Με τη βοήθεια των δορυφόρων GRACE, είναι εύκολο να παρακολουθούνται οι υπόγειοι υδάτινοι πόροι μεγάλων περιοχών με πολύ λιγότερες προσπάθειες, ωστόσο, είναι δύσκολο να αξιοποιήσει τα περιορισμένα δεδομένα απευθείας για αποφάσεις διαχείρισης. Η ανάλυση μπορεί να βελτιωθεί ενσωματώνοντας διάφορες προσεγγίσεις ισοζυγίου ενέργειας και μάζας μαζί με τοπικές μετρήσεις με τα δεδομένα GRACE για την εκτίμηση της αλλαγής στη συνολική αποθήκευση νερού, η οποία μπορεί να χρησιμοποιείται ως αναπαράσταση της μεταβολής της μάζας των υπόγειων υδάτων. Οι αλλαγές στη μάζα των υπόγειων υδάτων μπορούν περαιτέρω να συνδεθούν με σημαντικές αλλαγές στις χρήσεις γης και την κάλυψη γης (LULC) παγκοσμίως. Αυτές οι αλλαγές στο LULC μπορούν να συνδεθούν άμεσα με τη επίδραση φυσικών και ανθρωπογενών δραστηριοτήτων, οι οποίες επηρεάζουν σημαντικά το οικοσύστημα αυτών των λεκανών απορροής. Αυτές οι δραστηριότητες συνεπάγονται υψηλή αύξηση της αστικοποίησης, με αποτέλεσμα να υπάρχει επιζήμια επίδραση στους υπόγειους υδάτινους πόρους καθώς μειώνει σοβαρά την ικανότητα επαναφόρτισης της λεκάνης απορροής. Επομένως, είναι σημαντικό να συμπεριληφθούν οι επιπτώσεις του LULC στις πηγές υπόγειων υδάτων ενώ αναλύονται οι αλλαγές στην αποθήκευση των υπόγειων υδάτων οποιασδήποτε λεκάνης απορροής. Το ποσοστό της αδιαπέραστης περιοχής είναι υψηλότερο σε μια αστική περιοχή και, ως εκ τούτου, η θερμοκρασία της επιφάνειας είναι υψηλότερη από ό, τι σε μια περιοχή με βλάστηση. Αυτό συμβαίνει επειδή διαφορετικές επιφάνειες έχουν διαφορετική θερμική ικανότητα. Έτσι, όταν δέχονται παρόμοια ηλιακή ακτινοβολία, παρουσιάζουν διαφορετικές επιφανειακές θερμοκρασίες. Αυτές οι αλλαγές πρέπει να διερευνηθούν μέσω των πιο πρόσφατων διαθέσιμων τεχνικών, συμπεριλαμβανομένων των Συστημάτων Γεωγραφικών Πληροφοριών (GIS) και της τηλεπισκόπησης. Με το αυξανόμενο φορτίο στις παγκόσμιες πηγές υπόγειων υδάτων ως αποτέλεσμα της υψηλής ζήτησης γλυκού νερού λόγω της αυξανόμενης αστικοποίησης, υπάρχει τεράστια πίεση στους υπόγειους υδάτινους πόρους σε χώρες όπως το Πακιστάν. Πάνω από το 60% του νερού που καταναλώνεται για άρδευση και σχεδόν το 90% του πόσιμου νερού εξάγεται από τα υπόγεια ύδατα. Πάνω από 1 εκατομμύριο φρεάτια έχουν εγκατασταθεί και αντλούν υπόγεια ύδατα από την επαρχία Παντζάμπ, η οποία έχει οδηγήσει σε σοβαρή εξάντληση των υπόγειων υδάτινων πόρων. Οι παρατηρήσεις που καταγράφονται από τα φρεάτια παρακολούθησης είναι η κύρια πηγή πληροφοριών που χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση των συστημάτων υπόγειων υδάτων. Επιπλέον, η έλλειψη επαρκούς παρακολούθησης των φρεατίων σε περιοχές μεγάλης κλίμακας θέτει ένα ερωτηματικό στην αξιοπιστία και τη διαθεσιμότητα των δεδομένων που απαιτούνται από τους διαχειριστές των υπόγειων υδάτων, ωθώντας την ερευνητική κοινότητα να επιδιώξει νέες μεθόδους. Οι τεχνικές GIS και τηλεπισκόπησης έχουν αρχίσει να αποδεικνύονται για να καλύψουν αυτό το κενό. Αυτή η μελέτη επικεντρώθηκε κυρίως στην επίδραση της αλλαγής της κάλυψης του εδάφους στις αλλαγές των υπόγειων υδάτων και περαιτέρω αξιολόγηση των επιπτώσεων της εξάντλησης των υπόγειων υδάτων. 

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Περιοχή μελέτης '''

Η Λαχόρη είναι βιομηχανικός κόμβος και πρωτεύουσα της επαρχίας Παντζάμπ του Πακιστάν. Η συνολική ρύπανση στη Λαχόρη ήταν 6,3 εκατομμύρια το 1998 που αυξήθηκε σε 11,2 εκατομμύρια με ετήσια αύξηση 3% σύμφωνα με την πιο πρόσφατη απογραφή του 2017. Η περιοχή μελέτης βρίσκεται στην αριστερή όχθη του ποταμού Ράβι, με συνολική έκταση 1842 km2. Η γεωγραφική έκταση της Λαχόρης είναι 31◦130–31◦430 Β γεωγραφικό πλάτος και 74◦0 0–74◦39,50 Α γεωγραφικό μήκος. Από την άποψη του πληθυσμού, η Λαχόρη είναι η μεγαλούπολη της επαρχίας Παντζάμπ με περισσότερο από το 98% των ανθρώπων να ζουν σε αστικές περιοχές. Η Λαχόρη είναι γνωστή για την ιστορική της κουλτούρα, την υψηλή ακαδημαϊκή κοινότητα και την αλληλεπίδρασή της με τη γειτονική χώρα της Ινδίας. Η Λαχόρη έχει μια παλιά πολιτιστική κληρονομιά, η οποία προσελκύει το μεγαλύτερο μέρος του διεθνούς τουρισμού της περιοχής. Μετά τη συνθήκη του Ινδού για το νερό, η παροχή επιφανειακών υδάτων στο Παντζάμπ επηρεάστηκε σοβαρά και η Λαχόρη, που βρίσκεται στην όχθη του ποταμού Ράβι, ήταν μεταξύ των βασικών πόλεων που επλήγησαν. Η εισροή επιφανειακών υδάτων στη Λαχόρη μειώθηκε λόγω της μείωσης των εισροών από τον ποταμό Ράβι. Έτσι, για να ικανοποιηθεί η υψηλή ζήτηση νερού, το μεγαλύτερο μέρος του φορτίου μεταφέρθηκε στους υπόγειους υδάτινους πόρους της πόλης. Το 2014, υπολογίστηκε ότι η χρήση υπόγειων υδάτων στην πόλη ήταν περίπου 2,61 km3 ενώ η επαναφόρτιση ήταν μόνο 2,53 km3. Σχεδόν το 53% των υπόγειων υδάτων που εξορύσσονταν χρησιμοποιούνταν για οικιακούς σκοπούς, ενώ το υπόλοιπο 47% χρησιμοποιήθηκε για γεωργικούς, βιομηχανικούς και εμπορικούς σκοπούς. Η πόλη της Λαχόρης κατανέμεται σε εννέα διοικητικούς δήμους που διαχειρίζονται η διοίκηση τοπικής κλίμακας, δηλαδή, η δημοτική διοίκηση της πόλης και η περιοχή καντονιού του στρατού. Η χειμερινή περίοδος είναι από τον Νοέμβριο έως τον Μάρτιο και οι πιο κρύοι μήνες είναι ο Δεκέμβριος και ο Ιανουάριος με θερμοκρασία από 0 ◦C έως 3 ◦C. Τον Μάιο και τον Ιούνιο, με την υψηλότερη θερμοκρασία 48 ◦C, η μέση θερμοκρασία κατά τη διάρκεια της ημέρας στην περιοχή είναι από 40 ◦C έως 45 ◦C. Κατά τη διάρκεια της εποχής των μουσώνων, η Λαχόρη δέχεται υψηλές βροχοπτώσεις περίπου 600 mm τον Ιούλιο και τον Αύγουστο.

''' 2.2. Σύνολα δεδομένων '''

''' 2.2.1. Δεδομένα GRACE '''

Τα GRACE και GRACE-Follow On (GRACE-FO) είχαν ως στόχο τη μελέτη του παγκόσμιου κλίματος και της βαρύτητας της γης. Προηγούμενες μελέτες χρησιμοποιούσαν και τις δύο παρατηρήσεις, τα συνέκριναν με τα επί τόπου δεδομένα εδάφους και διαπίστωσαν ότι οι προσεγγίσεις Mascon (MSC) συσχετίζονται περισσότερο με την παρακολούθηση των υπόγειων υδάτων. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήσαμε μηνιαία παγκόσμια δεδομένα MSC από το κέντρο επεξεργασίας δεδομένων του Κέντρου Διαστημικής Έρευνας. Το Mascon έχει χωρική ανάλυση 3 μοιρών τόξου σε όλη την επιφάνεια της γης, όμως αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε τα δεδομένα των 0,5 μοιρών με το φίλτρο βελτίωσης ανάλυσης ακτών. Τα δεδομένα έχουν εξαχθεί για την περιοχή μελέτης από παγκόσμια προϊόντα για την εύρεση της χερσαίας αποθήκευσης νερού από το 2003 έως το 2021.

''' 2.2.2. Στοιχεία GLDAS '''

Το Παγκόσμιο Σύστημα Αφομοίωσης Δεδομένων Γης (GLDAS) αναφέρεται στην επίγεια μοντελοποίηση που ενσωματώνει προϊόντα δορυφορικών δεδομένων και επίγειες παρατηρήσεις. Το GLDAS χρησιμοποιεί τέσσερα είδη μοντέλων επιφανειών γης, συγκεκριμένα το Mosaic, Noah, Variable Infiltration Capacity και Community Land Model. Αυτή η μελέτη χρησιμοποιεί τα δεδομένα που προέρχονται από το Noah με χωρική ανάλυση 0,25◦ × 0,25◦. Η αποθήκευση νερού στο θόλο, η υγρασία του εδάφους και το ισοδύναμο νερού χιονιού εξάγεται από το Noah από τον Ιανουάριο του 2003 έως τον Δεκέμβριο του 2021.

''' 2.2.3. Δεδομένα TRMM '''

Η αποστολή μέτρησης τροπικών βροχοπτώσεων (TRMM) είναι μια κοινή δορυφορική αποστολή της Ιαπωνικής Υπηρεσίας Αεροδιαστημικής Εξερεύνησης και της Εθνικής Υπηρεσίας Αεροναυπηγικής και Διαστήματος για να βρει τη βροχόπτωση για κλιματική έρευνα. Το προϊόν είναι διαθέσιμο σε παγκόσμια κλίμακα από 50◦ Β έως 50◦ Ν. Τα μηνιαία δεδομένα με χωρική ανάλυση 0,25◦ × 0,25◦ χρησιμοποιήθηκαν για αυτή η μελέτη.

''' 2.2.4. Δεδομένα Landsat '''

Για τη χαρτογράφηση εδαφών, η ανάλυση περιλαμβάνει εικόνες από το 1990, το 2000, το 2010 και το 2020. Τα δεδομένα λαμβάνονται από το Landsat 5 και το Landsat 8 με χωρική ανάλυση 30 m. 

''' 2.3. Μεθοδολογία '''

''' 2.3.1. GRACE Επεξεργασία '''

Οι μηνιαίες λύσεις GRACE Mascon μας δίνουν συνολική αποθήκευση νερού με μια
μέση τιμή 300 × 300 km.Τα δεδομένα αλλάζουν μέγεθος σε διαφορετικές αναλύσεις pixel, δηλαδή 1◦ και 0,5◦ μοίρες. Μέχρι τώρα, η υψηλότερη ανάλυση είναι 0,5 μοίρες. Σε αυτή την μελέτη, τα δεδομένα συνολικής αποθήκευσης νερού χρησιμοποιήθηκαν από το 2003 έως το 2021. Τα δεδομένα GLDAS είναι διαθέσιμα στις 0,25 μοίρες, έτσι ώστε η διάσταση να είναι συνεπής και το μέγεθος των δεδομένων GRACE άλλαξε περαιτέρω σε 0,25 από 0,5 μοίρες. Η εξίσωση (1) δείχνει τον συνδυασμό των υπόγειων υδάτων και άλλων μεταβλητών στη συνολική αποθήκευση χερσαίων υδάτων. 

<center> ''' ΔTWS = (ΔGW) + (ΔSWE) + (ΔSM) + (ΔCWS), (1) ''' </center>

''' 2.3.2. Times Series Analysis of GRACE-Based GWS '''

Το GLDAS χρησιμοποιεί μοντέλα επιφάνειας γης για να βρει τη διαφορετική μεταβλητή ποσότητα αποθηκευμένου νερού. Τα δεδομένα GLDAS μετατρέπονται σε εκατοστά για να συνάδουν με τα δεδομένα GRACE. Επιπλέον, η χωρική ανάλυση είναι 0,25 × 0,25 μοίρες και η εξίσωση (2) χρησιμοποιείται για την εξαγωγή ανωμαλιών υπόγειων υδάτων. 

<center> ''' ΔGW = (ΔTWS) + ((ΔSWE) + (ΔSM) + (ΔCWS)), (2) ''' </center>

''' 2.3.3. Χαρτογράφηση κάλυψης γης '''

Διαφορετικοί ερευνητές χρησιμοποιούν πολλαπλούς ταξινομητές για ταξινομήσεις κάλυψης γης. Οι εικόνες υποβλήθηκαν σε προεπεξεργασία πριν από περαιτέρω ανάλυση. Ο ταξινομητής μέγιστης πιθανοφάνειας λειτουργεί σε πολυμεταβλητές συναρτήσεις πυκνότητας πιθανότητας κλάσεων για κάθε εικονοστοιχείο. Το εικονοστοιχείο εκχωρείται στη συγκεκριμένη κατηγορία με μέγιστη πιθανότητα φασματικής ανάκλασης στην καθορισμένη τάξη εκπαίδευσης. Η περιοχή μελέτης χωρίζεται σε τέσσερις κύριες κατηγορίες: οικισμό, βλάστηση, άγονη γη και νερό. Συλλέχθηκαν δείγματα εκπαίδευσης για αυτές τις καθορισμένες τάξεις από τις οπτικές εικόνες Landsat-8 με την υποστήριξη πληροφοριών που είναι διαθέσιμες στο Google Earth. Συλλέχθηκαν δεκαέξι σετ δειγμάτων εκπαίδευσης για κάθε κατηγορία κάλυψης γης με εργαλεία ανάπτυξης περιοχής, όπως ο συνολικός αριθμός δειγμάτων εκπαίδευσης για δεδομένα Landsat-8. Με βάση τα συνολικά δείγματα εκπαίδευσης, 70% δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν για το μοντέλο και 30% χρησιμοποιήθηκαν για τη δοκιμή των αποτελεσμάτων του μοντέλου. Η συνολική ακρίβεια έχει αξιολογηθεί με βάση τα δεδομένα δοκιμών. 

''' 2.3.4. Θερμοκρασία επιφάνειας γης '''

Η συλλογική θερμοκρασία των ανέπαφων αντικειμένων στην επιφάνεια της γης είναι γνωστή ως θερμοκρασία της επιφάνειας της γης. Σε όλο τον κόσμο, οι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει πολλαπλές μετρήσεις στη θερμική υπέρυθρη ζώνη. Οι τιμές ελήφθησαν από τα TM, TM+ και OLI σύμφωνα με τη θερμική υπέρυθρη ζώνη με αθροιστική χωρική ανάλυση 30 m, αντίστοιχα. Η τιμή του ψηφιακού αριθμού (DN) κάθε εικονοστοιχείου μετατρέπεται σε φασματική ακτινοβολία χρησιμοποιώντας την εξίσωση (3). 

<center> ''' R = ((LMAX − LMIN)/255) × DN + LMIN, (3) ''' </center>

όπου, R είναι η φασματική ακτινοβολία, LMAX είναι 15.600 (φασματική ακτινοβολία του υψηλότερου DN), και το LMIN είναι 1,238 (φασματική ακτινοβολία του DN που έχει αντίστοιχη τιμή 1). Το DN είναι η ψηφιακή τιμή αυτού του συγκεκριμένου pixel. Το επόμενο βήμα είναι η μετατροπή σε θερμοκρασία χρησιμοποιώντας την εξίσωση (4).

<center> ''' LST = K2/(ln((K1/R) + 1)), (4) ''' </center>

Τα K1 και K2 έχουν τις τιμές 607,76 και 1260,56 για TM και ETM+, και οι αντίστοιχες τιμές OLI είναι 772,88 και 1321,07. Τελικά, το LST μετατράπηκε σε Κελσίου (◦C) από Kelvin.

<center> ''' LST (◦C) = T (K) − 273,15, (5) ''' </center>

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ '''

''' 3.1. Παρακολούθηση ανωμαλιών υπόγειων υδάτων '''

Οι ανωμαλίες αποθήκευσης των υπόγειων υδάτων έχουν εξαχθεί από το GRACE με βάση τη συνολική αποθήκευση νερού και άλλες παραμέτρους από μοντέλα επιφάνειας γης GLDAS. Η περιοχή μελέτης της Λαχόρης έχει εξαντλήσει τους υπόγειους υδάτινους πόρους λόγω της υψηλής χρήσης υπόγειων υδάτων για τη γεωργία και της αστικοποίησης. Η μελέτη έλαβε τη χρονική διάρκεια από το 2003 έως το 2021. H συνολική αποθήκευση νερού στο μεγαλύτερο μέρος της περιοχής μελέτης αντιμετωπίζει συνεχείς φθίνουσες τάσεις. Οι χαμηλότερες τιμές αποθήκευσης υπόγειων υδάτων παρατηρούνται στην περίοδο πριν από τους μουσώνες ενώ έχει αυξηθεί σημαντικά τους μεταμουσώνες μήνες. Η διαρροή από επιφανειακά ύδατα και κανάλια είναι ένας παράγοντας που επηρεάζει την εισροή υπόγειων υδάτων και η μέση πτωτική τάση στην περιοχή είναι −1,2 cm ετησίως. Η Λαχόρη έχει υψηλό αριθμό υγρασίας εδάφους, που κυμαίνεται από -1,5 έως +2. Η υγρασία εδάφους είναι η πιο αποτελεσματική μεταβλητή για την παραγωγή σημάτων GRACE και το μέγεθος της έχει μειωθεί τα τελευταία χρόνια λόγω της αστικής επέκτασης στην περιοχή, η οποία είχε ως αποτέλεσμα τη μείωση του ρυθμού διείσδυσης, γεγονός που οδήγησε περαιτέρω σε μείωση της υγρασίας του εδάφους. Έχουν γίνει πολλές μελέτες για την αστική επέκταση της πόλης Λαχόρη, η οποία μετατράπηκε είτε από άγονη γη είτε από βλάστηση. Η Αποθήκευση νερού με θόλο κυμαίνεται από −0,004 έως +0,08 και εμφανίζει υψηλές τιμές στην αρχική περίοδο, οι οποίες μειώθηκαν τα τελευταία χρόνια, απεικονίζοντας μείωση της βλάστησης στην περιοχή μελέτης. Τα επιφανειακά ύδατα στην περιοχή μελέτης είναι λιγοστά. Οι βροχοπτώσεις έχουν υψηλές τιμές την εποχή των μουσώνων το 2013 και το 2014, συμβάλλοντας στην αύξηση των υπόγειων υδάτων στην περιοχή. Για την αποθήκευση υπόγειων υδάτων που βασίζεται στο GRACE, τα αποτελέσματα συσχετίζονται με τα δεδομένα των φρεατίων παρακολούθησης των υπόγειων υδάτων.

''' 3.2. Δυναμική αστικής επέκτασης και χαρτογράφηση κάλυψης γης '''

Η αναπτυξιακή ιστορία και ο σχεδιασμός χρήσης γης έχουν αναφερθεί σε αρκετές μελέτες για την πόλη της Λαχόρης αλλά αυτή η μελέτη ανέδειξε την επίδραση της αστικοποίησης στα υπόγεια ύδατα και την άνοδο της θερμοκρασίας τις τελευταίες δεκαετίες. Η αστική επέκταση είναι δύσκολο να προσδιοριστεί από μια σειρά χωρικών και χρονικών στοιχείων. Η σημαντική συμβολή στην αστική επέκταση στην πόλη της Λαχόρης είναι η μετανάστευση, η φυσική αύξηση και η συγχώνευση γειτονικών χωριών στην αστική περιοχή. Η απρογραμμάτιστη αστικοποίηση προκαλεί απρόβλεπτες μακροπρόθεσμες αλλαγές στο τοπίο της πόλης. Η διερεύνηση της υπάρχουσας οικολογικής κατάστασης της κάλυψης του εδάφους μιας περιοχής, ο εντοπισμός χωρικών και χρονικών αλλαγών είναι η πιο αποτελεσματική μέθοδος για την παρακολούθηση των διακυμάνσεων της γης. Η παρούσα μελέτη εξέτασε την αστική επέκταση από το 1990 έως το 2020 για να αξιολογήσει περαιτέρω τον αντίκτυπο της αστικοποίησης, μέσα από πολυφασματικές δορυφορικές εικόνες Landsat. Η ταχεία αύξηση του πληθυσμού των πόλεων και η αστική επέκταση είναι ο κύριος παράγοντας υψηλής εξόρυξης υπόγειων υδάτων. Η αστική επέκταση από το 1990 έως το 2020 έχει επηρεάσει σε μεγάλο βαθμό τη γεωργική περιοχή της Λαχόρης, καθώς η γεωργική περιοχή μετατρέπεται σε κατοικημένη περιοχή, η οποία επηρεάζει άμεσα και την άνοδο της θερμοκρασίας. Ο διαχωρισμός των χρήσεων γης περιλαμβάνει τρεις κατηγορίες: Άγονη γη, Γεωργική έκταση και Περιοχή χτισίματος. Η αστική επέκταση και άλλες υποδομές όπως η βιομηχανία ασκούν υψηλή πίεση στα υπόγεια ύδατα, καθώς επίσης, η αστική επέκταση επηρεάζει σημαντικά και τη βλάστηση. Kύρια αιτία αύξησης του αστικού πληθυσμού είναι η μετανάστευση από την ύπαιθρο προς την πόλη της Λαχόρη. 

''' 3.3. Αξιολόγηση της Χαρτογράφησης '''

Η άνοδος της θερμοκρασίας φαίνεται ξεκάθαρα στους χάρτες, κυρίως λόγω αστικοποίησης για τα έτη 1990, 2000, 2010 και 2020, με τη θερμοκρασία να κυμαίνεται από 15–41 ◦C, 17 44 ◦C, 21–45 ◦C και 23–47 ◦C, αντίστοιχα. Σε αυτή τη μελέτη, η πόλη της Λαχόρης είχε ελάχιστη θερμοκρασία 15 ◦C το 1990 και μέγιστη θερμοκρασία 47 ◦C το 2020. Ενώ η περιοχή είχε χαμηλή θερμοκρασία επιφάνειας λόγω της υψηλής βλάστησης που κάλυπτε την περιοχή μελέτης με την αστική επέκταση στην περιοχή, αυξήθηκε. Tο μεγαλύτερο μέρος της περιοχής πλέον είναι αστικοποιημένο και η περιοχή έχει πολύ υψηλή θερμοκρασία επιφάνειας με ελάχιστη περιοχή να καλύπτεται από βλάστηση. Οι πυκνοκατοικημένες εμπορικές, βιομηχανικές περιοχές έχουν υψηλότερες επιφανειακές θερμοκρασίες λόγω των αδιαπέραστων επιφανειών, καθώς οι τσιμεντένιες επιφάνειες απορροφούν και αποθηκεύουν θερμότητα κατά τη διάρκεια της ημέρας ενώ την απελευθερώνουν τη νύχτα.

''' 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Η μελέτη χρησιμοποίησε δεδομένα τηλεπισκόπησης για να βρει τη μείωση της αποθήκευσης των υπόγειων υδάτων και τη σύνδεσή της με την αστική επέκταση στη Λαχόρη. Η πόλη της Λαχόρης επεκτείνεται και η αστικοποίησή της καταναλώνει πολλούς φυσικούς πόρους στους οποίους η κύρια κατανάλωση είναι τα υπόγεια ύδατα. Στη Λαχόρη η αστική περιοχή αυξήθηκε από 659 km2 σε 1104 km2 και με τη συνολική αύξηση της αστικοποίησης αυξήθηκε και η θερμοκρασία της περιοχής. Η αύξηση της θερμοκρασίας δείχνει τις επιπτώσεις της αστικοποίησης και της κατανάλωσης των υπόγειων υδάτων, καθώς και ότι μπορεί να οφείλεται στη μείωση της βλάστησης. 

[[category:Υδατικοί Πόροι]]

Επιπτώσεις της αστικοποίησης στα υπόγεια ύδατα και στις αλλαγές θερμοκρασίας στην επιφάνεια : Μια μελέτη της πόλης Λαχόρη

2024-02-16T07:49:13Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Impact of Urbanization on Groundwater and Surface Temperature Changes: A Case Study of Lahore City''

'''Συγγραφείς: ''' Huzaifah Zahran, Muhammad Zeeshan Ali, Khan Zaib Jadoon, Hammad Ullah Khan Yousafzai, Khalil Ur Rahman, Nadeem Ahmed Sheikh

'''Δημοσιεύθηκε: ''' ''Sustainability 2023, 15, 6864. https://doi.org/10.3390/su15086864''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Υδατικοί πόροι

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Μελέτη επιπτώσεων αστικοποίησης στα υπόγεια ύδατα και στις αλλαγές θερμοκρασίας '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_L_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Χάρτης τοποθεσίας της περιοχής μελέτης: (α) Χάρτης του Πακιστάν, (β) Χάρτης της επαρχίας Παντζάμπ με βάση τις περιφέρειες, (γ) Ειδικός χάρτης περιοχής μελέτης της Λαχόρης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Μεθοδολογία-Διάγραμμα ροής για την ερευνητική μελέτη, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' (α) Απεικονίζει παραλλαγές χρονοσειρών της συνολικής αποθήκευσης νερού (TWS), (β) Απεικονίζει την αποθήκευση υπόγειων υδάτων (GWS), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' Οι χρονικές διακυμάνσεις: (α) Υγρασία εδάφους, (β) Αποθήκευση νερού από θόλο (CWS), (γ) Επιφανειακό νερό (SW), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' Παραλλαγές χρονοσειρών GWS και Κατακρήμνισης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' Δείχνει τη συσχέτιση των δεδομένων σταθμών παρακολούθησης υπόγειων υδάτων με GWS που βασίζεται στο GRACE σε δύο διαφορετικές τοποθεσίες, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Χάρτες κάλυψης γης για δεκαετία: (α) Χάρτης κάλυψης γης του 1990, (β) Χάρτης κάλυψης γης του 2000, (γ) Χάρτης κάλυψης γης του 2010, (δ) Χάρτης κάλυψης γης του 2020, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Χρονική αλλαγή της αστικής/δομημένης περιοχής, της βλάστησης και της άγονης γης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Χάρτες θερμοκρασίας επιφάνειας γης για την περιοχή μελέτης: (α) Χάρτης του 1990, (β) Χάρτης του 2000, (γ) Χάρτης του 2010, (δ) Χάρτης του 2020, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

Με την αυξανόμενη ζήτηση για γλυκό νερό λόγω της πληθυσμιακής αύξησης και της αστικοποίησης, η πίεση στους παγκόσμιους υπόγειους υδάτινους πόρους έχει αυξηθεί τρομερά. Η κύρια πηγή παροχής νερού στην αστικοποιημένη περιοχή είναι κυρίως τα υπόγεια ύδατα που χρησιμοποιούν για οικιακή χρήση ή φρεάτια. Η υπερβολική εξάρτηση και η εξόρυξη των υπόγειων υδάτων συχνά οδηγούν στην εξάντληση της αποθήκευσης των υπόγειων υδάτων στην περιοχή. Σχεδόν το 50% του συνολικού παγκόσμιου πόσιμου νερού, το 40% του νερού χρησιμοποιείται σε άρδευση και σχεδόν το ένα τρίτο του νερού που απαιτείται από τη βιομηχανία χρησιμοποιείται από τους υπόγειους υδάτινους πόρους παγκοσμίως. Τα υπόγεια ύδατα αποτελούν μέρος του οικοσυστήματος που εμποδίζει την εισχώρηση θαλασσινού νερού και διατηρεί τη βασική ροή στα περισσότερα ποτάμια, η οποία αποτελεί μέρος του παγκόσμιου υδρολογικού κύκλου. Οι δορυφόροι Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) παρείχαν μια νέα προοπτική σχετικά με τις μεθόδους για την ακριβή παρακολούθηση των πηγών υπόγειων υδάτων του κόσμου, καθώς παρατηρεί τις αλλαγές στα πεδία βαρύτητας που προκύπτουν από τις διακυμάνσεις της μάζας στην επιφάνεια της γης, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διαμόρφωση της Συνολικής Αποθήκευσης Νερού (TWS). Το TWS είναι ένας συνδυασμός υγρασίας εδάφους (SM), αλλαγής αποθήκευσης υπόγειων υδάτων (GWSC) και εξαρτήματα μάζας που μεταβάλλουν τη βαρύτητα, όπως αποθήκευση επιφανειακών υδάτων, πάγος και χιόνι. Το GWSC μπορεί περαιτέρω να απομονωθεί από το TWS εκτιμώντας μεμονομένα εξαρτήματα, όπως αποθήκευση SM και επιφανειακών υδάτων, με τη βοήθεια Μοντέλων Επιφανειών Γης Global Land Data Assimilation System (GLDAS). Με τη βοήθεια των δορυφόρων GRACE, είναι εύκολο να παρακολουθούνται οι υπόγειοι υδάτινοι πόροι μεγάλων περιοχών με πολύ λιγότερες προσπάθειες, ωστόσο, είναι δύσκολο να αξιοποιήσει τα περιορισμένα δεδομένα απευθείας για αποφάσεις διαχείρισης. Η ανάλυση μπορεί να βελτιωθεί ενσωματώνοντας διάφορες προσεγγίσεις ισοζυγίου ενέργειας και μάζας μαζί με τοπικές μετρήσεις με τα δεδομένα GRACE για την εκτίμηση της αλλαγής στη συνολική αποθήκευση νερού, η οποία μπορεί να χρησιμοποιείται ως αναπαράσταση της μεταβολής της μάζας των υπόγειων υδάτων. Οι αλλαγές στη μάζα των υπόγειων υδάτων μπορούν περαιτέρω να συνδεθούν με σημαντικές αλλαγές στις χρήσεις γης και την κάλυψη γης (LULC) παγκοσμίως. Αυτές οι αλλαγές στο LULC μπορούν να συνδεθούν άμεσα με τη επίδραση φυσικών και ανθρωπογενών δραστηριοτήτων, οι οποίες επηρεάζουν σημαντικά το οικοσύστημα αυτών των λεκανών απορροής. Αυτές οι δραστηριότητες συνεπάγονται υψηλή αύξηση της αστικοποίησης, με αποτέλεσμα να υπάρχει επιζήμια επίδραση στους υπόγειους υδάτινους πόρους καθώς μειώνει σοβαρά την ικανότητα επαναφόρτισης της λεκάνης απορροής. Επομένως, είναι σημαντικό να συμπεριληφθούν οι επιπτώσεις του LULC στις πηγές υπόγειων υδάτων ενώ αναλύονται οι αλλαγές στην αποθήκευση των υπόγειων υδάτων οποιασδήποτε λεκάνης απορροής. Το ποσοστό της αδιαπέραστης περιοχής είναι υψηλότερο σε μια αστική περιοχή και, ως εκ τούτου, η θερμοκρασία της επιφάνειας είναι υψηλότερη από ό, τι σε μια περιοχή με βλάστηση. Αυτό συμβαίνει επειδή διαφορετικές επιφάνειες έχουν διαφορετική θερμική ικανότητα. Έτσι, όταν δέχονται παρόμοια ηλιακή ακτινοβολία, παρουσιάζουν διαφορετικές επιφανειακές θερμοκρασίες. Αυτές οι αλλαγές πρέπει να διερευνηθούν μέσω των πιο πρόσφατων διαθέσιμων τεχνικών, συμπεριλαμβανομένων των Συστημάτων Γεωγραφικών Πληροφοριών (GIS) και της τηλεπισκόπησης. Με το αυξανόμενο φορτίο στις παγκόσμιες πηγές υπόγειων υδάτων ως αποτέλεσμα της υψηλής ζήτησης γλυκού νερού λόγω της αυξανόμενης αστικοποίησης, υπάρχει τεράστια πίεση στους υπόγειους υδάτινους πόρους σε χώρες όπως το Πακιστάν. Πάνω από το 60% του νερού που καταναλώνεται για άρδευση και σχεδόν το 90% του πόσιμου νερού εξάγεται από τα υπόγεια ύδατα. Πάνω από 1 εκατομμύριο φρεάτια έχουν εγκατασταθεί και αντλούν υπόγεια ύδατα από την επαρχία Παντζάμπ, η οποία έχει οδηγήσει σε σοβαρή εξάντληση των υπόγειων υδάτινων πόρων. Οι παρατηρήσεις που καταγράφονται από τα φρεάτια παρακολούθησης είναι η κύρια πηγή πληροφοριών που χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση των συστημάτων υπόγειων υδάτων. Επιπλέον, η έλλειψη επαρκούς παρακολούθησης των φρεατίων σε περιοχές μεγάλης κλίμακας θέτει ένα ερωτηματικό στην αξιοπιστία και τη διαθεσιμότητα των δεδομένων που απαιτούνται από τους διαχειριστές των υπόγειων υδάτων, ωθώντας την ερευνητική κοινότητα να επιδιώξει νέες μεθόδους. Οι τεχνικές GIS και τηλεπισκόπησης έχουν αρχίσει να αποδεικνύονται για να καλύψουν αυτό το κενό. Αυτή η μελέτη επικεντρώθηκε κυρίως στην επίδραση της αλλαγής της κάλυψης του εδάφους στις αλλαγές των υπόγειων υδάτων και περαιτέρω αξιολόγηση των επιπτώσεων της εξάντλησης των υπόγειων υδάτων. 

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Περιοχή μελέτης '''

Η Λαχόρη είναι βιομηχανικός κόμβος και πρωτεύουσα της επαρχίας Παντζάμπ του Πακιστάν. Η συνολική ρύπανση στη Λαχόρη ήταν 6,3 εκατομμύρια το 1998 που αυξήθηκε σε 11,2 εκατομμύρια με ετήσια αύξηση 3% σύμφωνα με την πιο πρόσφατη απογραφή του 2017. Η περιοχή μελέτης βρίσκεται στην αριστερή όχθη του ποταμού Ράβι, με συνολική έκταση 1842 km2. Η γεωγραφική έκταση της Λαχόρης είναι 31◦130–31◦430 Β γεωγραφικό πλάτος και 74◦0 0–74◦39,50 Α γεωγραφικό μήκος. Από την άποψη του πληθυσμού, η Λαχόρη είναι η μεγαλούπολη της επαρχίας Παντζάμπ με περισσότερο από το 98% των ανθρώπων να ζουν σε αστικές περιοχές. Η Λαχόρη είναι γνωστή για την ιστορική της κουλτούρα, την υψηλή ακαδημαϊκή κοινότητα και την αλληλεπίδρασή της με τη γειτονική χώρα της Ινδίας. Η Λαχόρη έχει μια παλιά πολιτιστική κληρονομιά, η οποία προσελκύει το μεγαλύτερο μέρος του διεθνούς τουρισμού της περιοχής. Μετά τη συνθήκη του Ινδού για το νερό, η παροχή επιφανειακών υδάτων στο Παντζάμπ επηρεάστηκε σοβαρά και η Λαχόρη, που βρίσκεται στην όχθη του ποταμού Ράβι, ήταν μεταξύ των βασικών πόλεων που επλήγησαν. Η εισροή επιφανειακών υδάτων στη Λαχόρη μειώθηκε λόγω της μείωσης των εισροών από τον ποταμό Ράβι. Έτσι, για να ικανοποιηθεί η υψηλή ζήτηση νερού, το μεγαλύτερο μέρος του φορτίου μεταφέρθηκε στους υπόγειους υδάτινους πόρους της πόλης. Το 2014, υπολογίστηκε ότι η χρήση υπόγειων υδάτων στην πόλη ήταν περίπου 2,61 km3 ενώ η επαναφόρτιση ήταν μόνο 2,53 km3. Σχεδόν το 53% των υπόγειων υδάτων που εξορύσσονταν χρησιμοποιούνταν για οικιακούς σκοπούς, ενώ το υπόλοιπο 47% χρησιμοποιήθηκε για γεωργικούς, βιομηχανικούς και εμπορικούς σκοπούς. Η πόλη της Λαχόρης κατανέμεται σε εννέα διοικητικούς δήμους που διαχειρίζονται η διοίκηση τοπικής κλίμακας, δηλαδή, η δημοτική διοίκηση της πόλης και η περιοχή καντονιού του στρατού. Η χειμερινή περίοδος είναι από τον Νοέμβριο έως τον Μάρτιο και οι πιο κρύοι μήνες είναι ο Δεκέμβριος και ο Ιανουάριος με θερμοκρασία από 0 ◦C έως 3 ◦C. Τον Μάιο και τον Ιούνιο, με την υψηλότερη θερμοκρασία 48 ◦C, η μέση θερμοκρασία κατά τη διάρκεια της ημέρας στην περιοχή είναι από 40 ◦C έως 45 ◦C. Κατά τη διάρκεια της εποχής των μουσώνων, η Λαχόρη δέχεται υψηλές βροχοπτώσεις περίπου 600 mm τον Ιούλιο και τον Αύγουστο.

''' 2.2. Σύνολα δεδομένων '''

''' 2.2.1. Δεδομένα GRACE '''

Τα GRACE και GRACE-Follow On (GRACE-FO) είχαν ως στόχο τη μελέτη του παγκόσμιου κλίματος και της βαρύτητας της γης. Προηγούμενες μελέτες χρησιμοποιούσαν και τις δύο παρατηρήσεις, τα συνέκριναν με τα επί τόπου δεδομένα εδάφους και διαπίστωσαν ότι οι προσεγγίσεις Mascon (MSC) συσχετίζονται περισσότερο με την παρακολούθηση των υπόγειων υδάτων. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήσαμε μηνιαία παγκόσμια δεδομένα MSC από το κέντρο επεξεργασίας δεδομένων του Κέντρου Διαστημικής Έρευνας. Το Mascon έχει χωρική ανάλυση 3 μοιρών τόξου σε όλη την επιφάνεια της γης, όμως αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε τα δεδομένα των 0,5 μοιρών με το φίλτρο βελτίωσης ανάλυσης ακτών. Τα δεδομένα έχουν εξαχθεί για την περιοχή μελέτης από παγκόσμια προϊόντα για την εύρεση της χερσαίας αποθήκευσης νερού από το 2003 έως το 2021.

''' 2.2.2. Στοιχεία GLDAS '''

Το Παγκόσμιο Σύστημα Αφομοίωσης Δεδομένων Γης (GLDAS) αναφέρεται στην επίγεια μοντελοποίηση που ενσωματώνει προϊόντα δορυφορικών δεδομένων και επίγειες παρατηρήσεις. Το GLDAS χρησιμοποιεί τέσσερα είδη μοντέλων επιφανειών γης, συγκεκριμένα το Mosaic, Noah, Variable Infiltration Capacity και Community Land Model. Αυτή η μελέτη χρησιμοποιεί τα δεδομένα που προέρχονται από το Noah με χωρική ανάλυση 0,25◦ × 0,25◦. Η αποθήκευση νερού στο θόλο, η υγρασία του εδάφους και το ισοδύναμο νερού χιονιού εξάγεται από το Noah από τον Ιανουάριο του 2003 έως τον Δεκέμβριο του 2021.

''' 2.2.3. Δεδομένα TRMM '''

Η αποστολή μέτρησης τροπικών βροχοπτώσεων (TRMM) είναι μια κοινή δορυφορική αποστολή της Ιαπωνικής Υπηρεσίας Αεροδιαστημικής Εξερεύνησης και της Εθνικής Υπηρεσίας Αεροναυπηγικής και Διαστήματος για να βρει τη βροχόπτωση για κλιματική έρευνα. Το προϊόν είναι διαθέσιμο σε παγκόσμια κλίμακα από 50◦ Β έως 50◦ Ν. Τα μηνιαία δεδομένα με χωρική ανάλυση 0,25◦ × 0,25◦ χρησιμοποιήθηκαν για αυτή η μελέτη.

''' 2.2.4. Δεδομένα Landsat '''

Για τη χαρτογράφηση εδαφών, η ανάλυση περιλαμβάνει εικόνες από το 1990, το 2000, το 2010 και το 2020. Τα δεδομένα λαμβάνονται από το Landsat 5 και το Landsat 8 με χωρική ανάλυση 30 m. 

''' 2.3. Μεθοδολογία '''

''' 2.3.1. GRACE Επεξεργασία '''

Οι μηνιαίες λύσεις GRACE Mascon μας δίνουν συνολική αποθήκευση νερού με μια
μέση τιμή 300 × 300 km.Τα δεδομένα αλλάζουν μέγεθος σε διαφορετικές αναλύσεις pixel, δηλαδή 1◦ και 0,5◦ μοίρες. Μέχρι τώρα, η υψηλότερη ανάλυση είναι 0,5 μοίρες. Σε αυτή την μελέτη, τα δεδομένα συνολικής αποθήκευσης νερού χρησιμοποιήθηκαν από το 2003 έως το 2021. Τα δεδομένα GLDAS είναι διαθέσιμα στις 0,25 μοίρες, έτσι ώστε η διάσταση να είναι συνεπής και το μέγεθος των δεδομένων GRACE άλλαξε περαιτέρω σε 0,25 από 0,5 μοίρες. Η εξίσωση (1) δείχνει τον συνδυασμό των υπόγειων υδάτων και άλλων μεταβλητών στη συνολική αποθήκευση χερσαίων υδάτων. 

<center> ''' ΔTWS = (ΔGW) + (ΔSWE) + (ΔSM) + (ΔCWS), (1) ''' </center>

''' 2.3.2. Times Series Analysis of GRACE-Based GWS '''

Το GLDAS χρησιμοποιεί μοντέλα επιφάνειας γης για να βρει τη διαφορετική μεταβλητή ποσότητα αποθηκευμένου νερού. Τα δεδομένα GLDAS μετατρέπονται σε εκατοστά για να συνάδουν με τα δεδομένα GRACE. Επιπλέον, η χωρική ανάλυση είναι 0,25 × 0,25 μοίρες και η εξίσωση (2) χρησιμοποιείται για την εξαγωγή ανωμαλιών υπόγειων υδάτων. 

<center> ''' ΔGW = (ΔTWS) + ((ΔSWE) + (ΔSM) + (ΔCWS)), (2) ''' </center>

''' 2.3.3. Χαρτογράφηση κάλυψης γης '''

Διαφορετικοί ερευνητές χρησιμοποιούν πολλαπλούς ταξινομητές για ταξινομήσεις κάλυψης γης. Οι εικόνες υποβλήθηκαν σε προεπεξεργασία πριν από περαιτέρω ανάλυση. Ο ταξινομητής μέγιστης πιθανότητας λειτουργεί σε πολυμεταβλητές συναρτήσεις πυκνότητας πιθανότητας κλάσεων για κάθε εικονοστοιχείο. Το εικονοστοιχείο εκχωρείται στη συγκεκριμένη κατηγορία με μέγιστη πιθανότητα φασματικής ανάκλασης στην καθορισμένη τάξη εκπαίδευσης. Η περιοχή μελέτης χωρίζεται σε τέσσερις κύριες κατηγορίες: οικισμό, βλάστηση, άγονη γη και νερό. Συλλέχθηκαν δείγματα εκπαίδευσης για αυτές τις καθορισμένες τάξεις από τις οπτικές εικόνες Landsat-8 με την υποστήριξη πληροφοριών που είναι διαθέσιμες στο Google Earth. Συλλέχθηκαν δεκαέξι σετ δειγμάτων εκπαίδευσης για κάθε κατηγορία κάλυψης γης με εργαλεία ανάπτυξης περιοχής, όπως ο συνολικός αριθμός δειγμάτων εκπαίδευσης για δεδομένα Landsat-8. Με βάση τα συνολικά δείγματα εκπαίδευσης, 70% δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν για το μοντέλο και 30% χρησιμοποιήθηκαν για τη δοκιμή των αποτελεσμάτων του μοντέλου. Η συνολική ακρίβεια έχει αξιολογηθεί με βάση τα δεδομένα δοκιμών. 

''' 2.3.4. Θερμοκρασία επιφάνειας γης '''

Η συλλογική θερμοκρασία των ανέπαφων αντικειμένων στην επιφάνεια της γης είναι γνωστή ως θερμοκρασία της επιφάνειας της γης. Σε όλο τον κόσμο, οι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει πολλαπλές μετρήσεις στη θερμική υπέρυθρη ζώνη. Οι τιμές ελήφθησαν από τα TM, TM+ και OLI σύμφωνα με τη θερμική υπέρυθρη ζώνη με αθροιστική χωρική ανάλυση 30 m, αντίστοιχα. Η τιμή του ψηφιακού αριθμού (DN) κάθε εικονοστοιχείου μετατρέπεται σε φασματική ακτινοβολία χρησιμοποιώντας την εξίσωση (3). 

<center> ''' R = ((LMAX − LMIN)/255) × DN + LMIN, (3) ''' </center>

όπου, R είναι η φασματική ακτινοβολία, LMAX είναι 15.600 (φασματική ακτινοβολία του υψηλότερου DN), και το LMIN είναι 1,238 (φασματική ακτινοβολία του DN που έχει αντίστοιχη τιμή 1). Το DN είναι η ψηφιακή τιμή αυτού του συγκεκριμένου pixel. Το επόμενο βήμα είναι η μετατροπή σε θερμοκρασία χρησιμοποιώντας την εξίσωση (4).

<center> ''' LST = K2/(ln((K1/R) + 1)), (4) ''' </center>

Τα K1 και K2 έχουν τις τιμές 607,76 και 1260,56 για TM και ETM+, και οι αντίστοιχες τιμές OLI είναι 772,88 και 1321,07. Τελικά, το LST μετατράπηκε σε Κελσίου (◦C) από Kelvin.

<center> ''' LST (◦C) = T (K) − 273,15, (5) ''' </center>

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ '''

''' 3.1. Παρακολούθηση ανωμαλιών υπόγειων υδάτων '''

Οι ανωμαλίες αποθήκευσης των υπόγειων υδάτων έχουν εξαχθεί από το GRACE με βάση τη συνολική αποθήκευση νερού και άλλες παραμέτρους από μοντέλα επιφάνειας γης GLDAS. Η περιοχή μελέτης της Λαχόρης έχει εξαντλήσει τους υπόγειους υδάτινους πόρους λόγω της υψηλής χρήσης υπόγειων υδάτων για τη γεωργία και της αστικοποίησης. Η μελέτη έλαβε τη χρονική διάρκεια από το 2003 έως το 2021. H συνολική αποθήκευση νερού στο μεγαλύτερο μέρος της περιοχής μελέτης αντιμετωπίζει συνεχείς φθίνουσες τάσεις. Οι χαμηλότερες τιμές αποθήκευσης υπόγειων υδάτων παρατηρούνται στην περίοδο πριν από τους μουσώνες ενώ έχει αυξηθεί σημαντικά τους μεταμουσώνες μήνες. Η διαρροή από επιφανειακά ύδατα και κανάλια είναι ένας παράγοντας που επηρεάζει την εισροή υπόγειων υδάτων και η μέση πτωτική τάση στην περιοχή είναι −1,2 cm ετησίως. Η Λαχόρη έχει υψηλό αριθμό υγρασίας εδάφους, που κυμαίνεται από -1,5 έως +2. Η υγρασία εδάφους είναι η πιο αποτελεσματική μεταβλητή για την παραγωγή σημάτων GRACE και το μέγεθος της έχει μειωθεί τα τελευταία χρόνια λόγω της αστικής επέκτασης στην περιοχή, η οποία είχε ως αποτέλεσμα τη μείωση του ρυθμού διείσδυσης, γεγονός που οδήγησε περαιτέρω σε μείωση της υγρασίας του εδάφους. Έχουν γίνει πολλές μελέτες για την αστική επέκταση της πόλης Λαχόρη, η οποία μετατράπηκε είτε από άγονη γη είτε από βλάστηση. Η Αποθήκευση νερού με θόλο κυμαίνεται από −0,004 έως +0,08 και εμφανίζει υψηλές τιμές στην αρχική περίοδο, οι οποίες μειώθηκαν τα τελευταία χρόνια, απεικονίζοντας μείωση της βλάστησης στην περιοχή μελέτης. Τα επιφανειακά ύδατα στην περιοχή μελέτης είναι λιγοστά. Οι βροχοπτώσεις έχουν υψηλές τιμές την εποχή των μουσώνων το 2013 και το 2014, συμβάλλοντας στην αύξηση των υπόγειων υδάτων στην περιοχή. Για την αποθήκευση υπόγειων υδάτων που βασίζεται στο GRACE, τα αποτελέσματα συσχετίζονται με τα δεδομένα των φρεατίων παρακολούθησης των υπόγειων υδάτων.

''' 3.2. Δυναμική αστικής επέκτασης και χαρτογράφηση κάλυψης γης '''

Η αναπτυξιακή ιστορία και ο σχεδιασμός χρήσης γης έχουν αναφερθεί σε αρκετές μελέτες για την πόλη της Λαχόρης αλλά αυτή η μελέτη ανέδειξε την επίδραση της αστικοποίησης στα υπόγεια ύδατα και την άνοδο της θερμοκρασίας τις τελευταίες δεκαετίες. Η αστική επέκταση είναι δύσκολο να προσδιοριστεί από μια σειρά χωρικών και χρονικών στοιχείων. Η σημαντική συμβολή στην αστική επέκταση στην πόλη της Λαχόρης είναι η μετανάστευση, η φυσική αύξηση και η συγχώνευση γειτονικών χωριών στην αστική περιοχή. Η απρογραμμάτιστη αστικοποίηση προκαλεί απρόβλεπτες μακροπρόθεσμες αλλαγές στο τοπίο της πόλης. Η διερεύνηση της υπάρχουσας οικολογικής κατάστασης της κάλυψης του εδάφους μιας περιοχής, ο εντοπισμός χωρικών και χρονικών αλλαγών είναι η πιο αποτελεσματική μέθοδος για την παρακολούθηση των διακυμάνσεων της γης. Η παρούσα μελέτη εξέτασε την αστική επέκταση από το 1990 έως το 2020 για να αξιολογήσει περαιτέρω τον αντίκτυπο της αστικοποίησης, μέσα από πολυφασματικές δορυφορικές εικόνες Landsat. Η ταχεία αύξηση του πληθυσμού των πόλεων και η αστική επέκταση είναι ο κύριος παράγοντας υψηλής εξόρυξης υπόγειων υδάτων. Η αστική επέκταση από το 1990 έως το 2020 έχει επηρεάσει σε μεγάλο βαθμό τη γεωργική περιοχή της Λαχόρης, καθώς η γεωργική περιοχή μετατρέπεται σε κατοικημένη περιοχή, η οποία επηρεάζει άμεσα και την άνοδο της θερμοκρασίας. Ο διαχωρισμός των χρήσεων γης περιλαμβάνει τρεις κατηγορίες: Άγονη γη, Γεωργική έκταση και Περιοχή χτισίματος. Η αστική επέκταση και άλλες υποδομές όπως η βιομηχανία ασκούν υψηλή πίεση στα υπόγεια ύδατα, καθώς επίσης, η αστική επέκταση επηρεάζει σημαντικά και τη βλάστηση. Kύρια αιτία αύξησης του αστικού πληθυσμού είναι η μετανάστευση από την ύπαιθρο προς την πόλη της Λαχόρη. 

''' 3.3. Αξιολόγηση της Χαρτογράφησης '''

Η άνοδος της θερμοκρασίας φαίνεται ξεκάθαρα στους χάρτες, κυρίως λόγω αστικοποίησης για τα έτη 1990, 2000, 2010 και 2020, με τη θερμοκρασία να κυμαίνεται από 15–41 ◦C, 17 44 ◦C, 21–45 ◦C και 23–47 ◦C, αντίστοιχα. Σε αυτή τη μελέτη, η πόλη της Λαχόρης είχε ελάχιστη θερμοκρασία 15 ◦C το 1990 και μέγιστη θερμοκρασία 47 ◦C το 2020. Ενώ η περιοχή είχε χαμηλή θερμοκρασία επιφάνειας λόγω της υψηλής βλάστησης που κάλυπτε την περιοχή μελέτης με την αστική επέκταση στην περιοχή, αυξήθηκε. Tο μεγαλύτερο μέρος της περιοχής πλέον είναι αστικοποιημένο και η περιοχή έχει πολύ υψηλή θερμοκρασία επιφάνειας με ελάχιστη περιοχή να καλύπτεται από βλάστηση. Οι πυκνοκατοικημένες εμπορικές, βιομηχανικές περιοχές έχουν υψηλότερες επιφανειακές θερμοκρασίες λόγω των αδιαπέραστων επιφανειών, καθώς οι τσιμεντένιες επιφάνειες απορροφούν και αποθηκεύουν θερμότητα κατά τη διάρκεια της ημέρας ενώ την απελευθερώνουν τη νύχτα.

''' 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Η μελέτη χρησιμοποίησε δεδομένα τηλεπισκόπησης για να βρει τη μείωση της αποθήκευσης των υπόγειων υδάτων και τη σύνδεσή της με την αστική επέκταση στη Λαχόρη. Η πόλη της Λαχόρης επεκτείνεται και η αστικοποίησή της καταναλώνει πολλούς φυσικούς πόρους στους οποίους η κύρια κατανάλωση είναι τα υπόγεια ύδατα. Στη Λαχόρη η αστική περιοχή αυξήθηκε από 659 km2 σε 1104 km2 και με τη συνολική αύξηση της αστικοποίησης αυξήθηκε και η θερμοκρασία της περιοχής. Η αύξηση της θερμοκρασίας δείχνει τις επιπτώσεις της αστικοποίησης και της κατανάλωσης των υπόγειων υδάτων, καθώς και ότι μπορεί να οφείλεται στη μείωση της βλάστησης. 

[[category:Υδατικοί Πόροι]]

Επιπτώσεις της αστικοποίησης στα υπόγεια ύδατα και στις αλλαγές θερμοκρασίας στην επιφάνεια : Μια μελέτη της πόλης Λαχόρη

2024-02-16T07:37:01Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Impact of Urbanization on Groundwater and Surface Temperature Changes: A Case Study of Lahore City''

'''Συγγραφείς: ''' Huzaifah Zahran, Muhammad Zeeshan Ali, Khan Zaib Jadoon, Hammad Ullah Khan Yousafzai, Khalil Ur Rahman, Nadeem Ahmed Sheikh

'''Δημοσιεύθηκε: ''' ''Sustainability 2023, 15, 6864. https://doi.org/10.3390/su15086864''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Υδατικοί πόροι

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Μελέτη επιπτώσεων αστικοποίησης στα υπόγεια ύδατα και στις αλλαγές θερμοκρασίας '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_L_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Χάρτης τοποθεσίας της περιοχής μελέτης: (α) Χάρτης του Πακιστάν, (β) Χάρτης της επαρχίας Παντζάμπ με βάση τις περιφέρειες, (γ) Ειδικός χάρτης περιοχής μελέτης της Λαχόρης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Μεθοδολογία-Διάγραμμα ροής για την ερευνητική μελέτη, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' (α) Απεικονίζει παραλλαγές χρονοσειρών της συνολικής αποθήκευσης νερού (TWS), (β) Απεικονίζει την αποθήκευση υπόγειων υδάτων (GWS), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' Οι χρονικές διακυμάνσεις: (α) Υγρασία εδάφους, (β) Αποθήκευση νερού από θόλο (CWS), (γ) Επιφανειακό νερό (SW), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' Παραλλαγές χρονοσειρών GWS και Κατακρήμνισης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' Δείχνει τη συσχέτιση των δεδομένων σταθμών παρακολούθησης υπόγειων υδάτων με GWS που βασίζεται στο GRACE σε δύο διαφορετικές τοποθεσίες, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Χάρτες κάλυψης γης για δεκαετία: (α) Χάρτης κάλυψης γης του 1990, (β) Χάρτης κάλυψης γης του 2000, (γ) Χάρτης κάλυψης γης του 2010, (δ) Χάρτης κάλυψης γης του 2020, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Χρονική αλλαγή της αστικής/δομημένης περιοχής, της βλάστησης και της άγονης γης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Χάρτες θερμοκρασίας επιφάνειας γης για την περιοχή μελέτης: (α) Χάρτης του 1990, (β) Χάρτης του 2000, (γ) Χάρτης του 2010, (δ) Χάρτης του 2020, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

Με την αυξανόμενη ζήτηση για γλυκό νερό λόγω της πληθυσμιακής αύξησης και της αστικοποίησης, η πίεση στους παγκόσμιους υπόγειους υδάτινους πόρους έχει αυξηθεί τρομερά. Η κύρια πηγή παροχής νερού στην αστικοποιημένη περιοχή είναι κυρίως τα υπόγεια ύδατα που χρησιμοποιούν για οικιακή χρήση ή φρεάτια. Η υπερβολική εξάρτηση και η εξόρυξη των υπόγειων υδάτων συχνά οδηγούν στην εξάντληση της αποθήκευσης των υπόγειων υδάτων στην περιοχή. Σχεδόν το 50% του συνολικού παγκόσμιου πόσιμου νερού, το 40% του νερού χρησιμοποιείται σε άρδευση και σχεδόν το ένα τρίτο του νερού που απαιτείται από τη βιομηχανία χρησιμοποιείται από τους υπόγειους υδάτινους πόρους παγκοσμίως. Τα υπόγεια ύδατα αποτελούν μέρος του οικοσυστήματος που εμποδίζει την εισχώρηση θαλασσινού νερού και διατηρεί τη βασική ροή στα περισσότερα ποτάμια, η οποία αποτελεί μέρος του παγκόσμιου υδρολογικού κύκλου. Οι δορυφόροι Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) παρείχαν μια νέα προοπτική σχετικά με τις μεθόδους για την ακριβή παρακολούθηση των πηγών υπόγειων υδάτων του κόσμου, καθώς παρατηρεί τις αλλαγές στα πεδία βαρύτητας που προκύπτουν από τις διακυμάνσεις της μάζας στην επιφάνεια της γης, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διαμόρφωση της Συνολικής Αποθήκευσης Νερού (TWS). Το TWS είναι ένας συνδυασμός υγρασίας εδάφους (SM), αλλαγής αποθήκευσης υπόγειων υδάτων (GWSC) και εξαρτήματα μάζας που μεταβάλλουν τη βαρύτητα, όπως αποθήκευση επιφανειακών υδάτων, πάγος και χιόνι. Το GWSC μπορεί περαιτέρω να απομονωθεί από το TWS εκτιμώντας μεμονομένα εξαρτήματα, όπως αποθήκευση SM και επιφανειακών υδάτων, με τη βοήθεια Μοντέλων Επιφανειών Γης Global Land Data Assimilation System (GLDAS). Με τη βοήθεια των δορυφόρων GRACE, είναι εύκολο να παρακολουθούνται οι υπόγειοι υδάτινοι πόροι μεγάλων περιοχών με πολύ λιγότερες προσπάθειες, ωστόσο, είναι δύσκολο να αξιοποιήσει τα περιορισμένα δεδομένα απευθείας για αποφάσεις διαχείρισης. Η ανάλυση μπορεί να βελτιωθεί ενσωματώνοντας διάφορες προσεγγίσεις ισοζυγίου ενέργειας και μάζας μαζί με τοπικές μετρήσεις με τα δεδομένα GRACE για την εκτίμηση της αλλαγής στη συνολική αποθήκευση νερού, η οποία μπορεί να χρησιμοποιείται ως αναπαράσταση της μεταβολής της μάζας των υπόγειων υδάτων. Οι αλλαγές στη μάζα των υπόγειων υδάτων μπορούν περαιτέρω να συνδεθούν με σημαντικές αλλαγές στις χρήσεις γης και την κάλυψη γης (LULC) παγκοσμίως. Αυτές οι αλλαγές στο LULC μπορούν να συνδεθούν άμεσα με τη επίδραση φυσικών και ανθρωπογενών δραστηριοτήτων, οι οποίες επηρεάζουν σημαντικά το οικοσύστημα αυτών των λεκανών απορροής. Αυτές οι δραστηριότητες συνεπάγονται υψηλή αύξηση της αστικοποίησης, με αποτέλεσμα να υπάρχει επιζήμια επίδραση στους υπόγειους υδάτινους πόρους καθώς μειώνει σοβαρά την ικανότητα επαναφόρτισης της λεκάνης απορροής. Επομένως, είναι σημαντικό να συμπεριληφθούν οι επιπτώσεις του LULC στις πηγές υπόγειων υδάτων ενώ αναλύονται οι αλλαγές στην αποθήκευση των υπόγειων υδάτων οποιασδήποτε λεκάνης απορροής. Το ποσοστό της αδιαπέραστης περιοχής είναι υψηλότερο σε μια αστική περιοχή και, ως εκ τούτου, η θερμοκρασία της επιφάνειας είναι υψηλότερη από ό, τι σε μια περιοχή με βλάστηση. Αυτό συμβαίνει επειδή διαφορετικές επιφάνειες έχουν διαφορετική θερμική ικανότητα. Έτσι, όταν δέχονται παρόμοια ηλιακή ακτινοβολία, παρουσιάζουν διαφορετικές επιφανειακές θερμοκρασίες. Αυτές οι αλλαγές πρέπει να διερευνηθούν μέσω των πιο πρόσφατων διαθέσιμων τεχνικών, συμπεριλαμβανομένων των Συστημάτων Γεωγραφικών Πληροφοριών (GIS) και της τηλεπισκόπησης. Με το αυξανόμενο φορτίο στις παγκόσμιες πηγές υπόγειων υδάτων ως αποτέλεσμα της υψηλής ζήτησης γλυκού νερού λόγω της αυξανόμενης αστικοποίησης, υπάρχει τεράστια πίεση στους υπόγειους υδάτινους πόρους σε χώρες όπως το Πακιστάν. Πάνω από το 60% του νερού που καταναλώνεται για άρδευση και σχεδόν το 90% του πόσιμου νερού εξάγεται από τα υπόγεια ύδατα. Πάνω από 1 εκατομμύριο φρεάτια έχουν εγκατασταθεί και αντλούν υπόγεια ύδατα από την επαρχία Παντζάμπ, η οποία έχει οδηγήσει σε σοβαρή εξάντληση των υπόγειων υδάτινων πόρων. Οι παρατηρήσεις που καταγράφονται από τα φρεάτια παρακολούθησης είναι η κύρια πηγή πληροφοριών που χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση των συστημάτων υπόγειων υδάτων. Επιπλέον, η έλλειψη επαρκούς παρακολούθησης των φρεατίων σε περιοχές μεγάλης κλίμακας θέτει ένα ερωτηματικό στην αξιοπιστία και τη διαθεσιμότητα των δεδομένων που απαιτούνται από τους διαχειριστές των υπόγειων υδάτων, ωθώντας την ερευνητική κοινότητα να επιδιώξει νέες μεθόδους. Οι τεχνικές GIS και τηλεπισκόπησης έχουν αρχίσει να αποδεικνύονται για να καλύψουν αυτό το κενό. Αυτή η μελέτη επικεντρώθηκε κυρίως στην επίδραση της αλλαγής της κάλυψης του εδάφους στις αλλαγές των υπόγειων υδάτων και περαιτέρω αξιολόγηση των επιπτώσεων της εξάντλησης των υπόγειων υδάτων. 

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Περιοχή μελέτης '''

Η Λαχόρη είναι βιομηχανικός κόμβος και πρωτεύουσα της επαρχίας Παντζάμπ του Πακιστάν. Η συνολική ρύπανση στη Λαχόρη ήταν 6,3 εκατομμύρια το 1998 που αυξήθηκε σε 11,2 εκατομμύρια με ετήσια αύξηση 3% σύμφωνα με την πιο πρόσφατη απογραφή του 2017. Η περιοχή μελέτης βρίσκεται στην αριστερή όχθη του ποταμού Ράβι, με συνολική έκταση 1842 km2. Η γεωγραφική έκταση της Λαχόρης είναι 31◦130–31◦430 Β γεωγραφικό πλάτος και 74◦0 0–74◦39,50 Α γεωγραφικό μήκος. Από την άποψη του πληθυσμού, η Λαχόρη είναι η μεγαλούπολη της επαρχίας Παντζάμπ με περισσότερο από το 98% των ανθρώπων να ζουν σε αστικές περιοχές. Η Λαχόρη είναι γνωστή για την ιστορική της κουλτούρα, την υψηλή ακαδημαϊκή κοινότητα και την αλληλεπίδρασή της με τη γειτονική χώρα της Ινδίας. Η Λαχόρη έχει μια παλιά πολιτιστική κληρονομιά, η οποία προσελκύει το μεγαλύτερο μέρος του διεθνούς τουρισμού της περιοχής. Μετά τη συνθήκη του Ινδού για το νερό, η παροχή επιφανειακών υδάτων στο Παντζάμπ επηρεάστηκε σοβαρά και η Λαχόρη, που βρίσκεται στην όχθη του ποταμού Ράβι, ήταν μεταξύ των βασικών πόλεων που επλήγησαν. Η εισροή επιφανειακών υδάτων στη Λαχόρη μειώθηκε λόγω της μείωσης των εισροών από τον ποταμό Ράβι. Έτσι, για να ικανοποιηθεί η υψηλή ζήτηση νερού, το μεγαλύτερο μέρος του φορτίου μεταφέρθηκε στους υπόγειους υδάτινους πόρους της πόλης. Το 2014, υπολογίστηκε ότι η χρήση υπόγειων υδάτων στην πόλη ήταν περίπου 2,61 km3 ενώ η επαναφόρτιση ήταν μόνο 2,53 km3. Σχεδόν το 53% των υπόγειων υδάτων που εξορύσσονταν χρησιμοποιούνταν για οικιακούς σκοπούς, ενώ το υπόλοιπο 47% χρησιμοποιήθηκε για γεωργικούς, βιομηχανικούς και εμπορικούς σκοπούς. Η πόλη της Λαχόρης κατανέμεται σε εννέα διοικητικούς δήμους που διαχειρίζονται η διοίκηση τοπικής κλίμακας, δηλαδή, η δημοτική διοίκηση της πόλης και η περιοχή καντονιού του στρατού. Η χειμερινή περίοδος είναι από τον Νοέμβριο έως τον Μάρτιο και οι πιο κρύοι μήνες είναι ο Δεκέμβριος και ο Ιανουάριος με θερμοκρασία από 0 ◦C έως 3 ◦C. Τον Μάιο και τον Ιούνιο, με την υψηλότερη θερμοκρασία 48 ◦C, η μέση θερμοκρασία κατά τη διάρκεια της ημέρας στην περιοχή είναι από 40 ◦C έως 45 ◦C. Κατά τη διάρκεια της εποχής των μουσώνων, η Λαχόρη δέχεται υψηλές βροχοπτώσεις περίπου 600 mm τον Ιούλιο και τον Αύγουστο.

''' 2.2. Σύνολα δεδομένων '''

''' 2.2.1. Δεδομένα GRACE '''

Τα GRACE και GRACE-Follow On (GRACE-FO) είχαν ως στόχο τη μελέτη του παγκόσμιου κλίματος και της βαρύτητας της γης. Προηγούμενες μελέτες χρησιμοποιούσαν και τις δύο παρατηρήσεις, τα συνέκριναν με τα επί τόπου δεδομένα εδάφους και διαπίστωσαν ότι οι προσεγγίσεις Mascon (MSC) συσχετίζονται περισσότερο με την παρακολούθηση των υπόγειων υδάτων. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήσαμε μηνιαία παγκόσμια δεδομένα MSC από το κέντρο επεξεργασίας δεδομένων του Κέντρου Διαστημικής Έρευνας. Το Mascon έχει χωρική ανάλυση 3 μοιρών τόξου σε όλη την επιφάνεια της γης, όμως αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε τα δεδομένα των 0,5 μοιρών με το φίλτρο βελτίωσης ανάλυσης ακτών. Τα δεδομένα έχουν εξαχθεί για την περιοχή μελέτης από παγκόσμια προϊόντα για την εύρεση της χερσαίας αποθήκευσης νερού από το 2003 έως το 2021.

''' 2.2.2. Στοιχεία GLDAS '''

Το Παγκόσμιο Σύστημα Αφομοίωσης Δεδομένων Γης (GLDAS) αναφέρεται στην επίγεια μοντελοποίηση που ενσωματώνει προϊόντα δορυφορικών δεδομένων και επίγειες παρατηρήσεις. Το GLDAS χρησιμοποιεί τέσσερα είδη μοντέλων επιφανειών γης, συγκεκριμένα το Mosaic, Noah, Variable Infiltration Capacity και Community Land Model. Αυτή η μελέτη χρησιμοποιεί τα δεδομένα που προέρχονται από το Noah με χωρική ανάλυση 0,25◦ × 0,25◦. Η αποθήκευση νερού στο θόλο, η υγρασία του εδάφους και το ισοδύναμο νερού χιονιού εξάγεται από το Noah από τον Ιανουάριο του 2003 έως τον Δεκέμβριο του 2021.

''' 2.2.3. Δεδομένα TRMM '''

Η αποστολή μέτρησης τροπικών βροχοπτώσεων (TRMM) είναι μια κοινή δορυφορική αποστολή της Ιαπωνικής Υπηρεσίας Αεροδιαστημικής Εξερεύνησης και της Εθνικής Υπηρεσίας Αεροναυπηγικής και Διαστήματος για να βρει τη βροχόπτωση για κλιματική έρευνα. Το προϊόν είναι διαθέσιμο σε παγκόσμια κλίμακα από 50◦ Β έως 50◦ Ν. Τα μηνιαία δεδομένα με χωρική ανάλυση 0,25◦ × 0,25◦ χρησιμοποιήθηκαν για αυτή η μελέτη.

''' 2.2.4. Δεδομένα Landsat '''

Για τη χαρτογράφηση εδαφών, η ανάλυση περιλαμβάνει εικόνες από το 1990, το 2000, το 2010 και το 2020. Τα δεδομένα λαμβάνονται από το Landsat 5 και το Landsat 8 με χωρική ανάλυση 30 m. 

''' 2.3. Μεθοδολογία '''

''' 2.3.1. GRACE Επεξεργασία '''

Οι μηνιαίες λύσεις GRACE Mascon μας δίνουν συνολική αποθήκευση νερού με μια
μέση τιμή 300 × 300 km.Τα δεδομένα αλλάζουν μέγεθος σε διαφορετικές αναλύσεις pixel, δηλαδή 1◦ και 0,5◦ μοίρες. Μέχρι τώρα, η υψηλότερη ανάλυση είναι 0,5 μοίρες. Σε αυτή την μελέτη, τα δεδομένα συνολικής αποθήκευσης νερού χρησιμοποιήθηκαν από το 2003 έως το 2021. Τα δεδομένα GLDAS είναι διαθέσιμα στις 0,25 μοίρες, έτσι ώστε η διάσταση να είναι συνεπής και το μέγεθος των δεδομένων GRACE άλλαξε περαιτέρω σε 0,25 από 0,5 μοίρες. Η εξίσωση (1) δείχνει τον συνδυασμό των υπόγειων υδάτων και άλλων μεταβλητών στη συνολική αποθήκευση χερσαίων υδάτων. 

<center> ''' ΔTWS = (ΔGW) + (ΔSWE) + (ΔSM) + (ΔCWS), (1) ''' </center>

''' 2.3.2. Times Series Analysis of GRACE-Based GWS '''

Το GLDAS χρησιμοποιεί μοντέλα επιφάνειας γης για να βρει τη διαφορετική μεταβλητή ποσότητα αποθηκευμένου νερού. Τα δεδομένα GLDAS μετατρέπονται σε εκατοστά για να συνάδουν με τα δεδομένα GRACE. Επιπλέον, η χωρική ανάλυση είναι 0,25 × 0,25 μοίρες και η εξίσωση (2) χρησιμοποιείται για την εξαγωγή ανωμαλιών υπόγειων υδάτων. 

<center> ''' ΔGW = (ΔTWS) + ((ΔSWE) + (ΔSM) + (ΔCWS)), (2) ''' </center>

''' 2.3.3. Χαρτογράφηση κάλυψης γης '''

Διαφορετικοί ερευνητές χρησιμοποιούν πολλαπλούς ταξινομητές για ταξινομήσεις κάλυψης γης. Οι εικόνες υποβλήθηκαν σε προεπεξεργασία πριν από περαιτέρω ανάλυση. Ο ταξινομητής μέγιστης πιθανότητας λειτουργεί σε πολυμεταβλητές συναρτήσεις πυκνότητας πιθανότητας κλάσεων για κάθε εικονοστοιχείο. Το εικονοστοιχείο εκχωρείται στη συγκεκριμένη κατηγορία με μέγιστη πιθανότητα φασματικής ανάκλασης στην καθορισμένη τάξη εκπαίδευσης. Η περιοχή μελέτης χωρίζεται σε τέσσερις κύριες κατηγορίες: οικισμό, βλάστηση, άγονη γη και νερό. Συλλέχθηκαν δείγματα εκπαίδευσης για αυτές τις καθορισμένες τάξεις από τις οπτικές εικόνες Landsat-8 με την υποστήριξη πληροφοριών που είναι διαθέσιμες στο Google Earth. Συλλέχθηκαν δεκαέξι σετ δειγμάτων εκπαίδευσης για κάθε κατηγορία κάλυψης γης με εργαλεία ανάπτυξης περιοχής, όπως ο συνολικός αριθμός δειγμάτων εκπαίδευσης για δεδομένα Landsat-8. Με βάση τα συνολικά δείγματα εκπαίδευσης, 70% δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν για το μοντέλο και 30% χρησιμοποιήθηκαν για τη δοκιμή των αποτελεσμάτων του μοντέλου. Η συνολική ακρίβεια έχει αξιολογηθεί με βάση τα δεδομένα δοκιμών. 

''' 2.3.4. Θερμοκρασία επιφάνειας γης '''

Η συλλογική θερμοκρασία των ανέπαφων αντικειμένων στην επιφάνεια της γης είναι γνωστή ως θερμοκρασία της επιφάνειας της γης. Σε όλο τον κόσμο, οι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει πολλαπλές μετρήσεις στη θερμική υπέρυθρη ζώνη. Οι τιμές ελήφθησαν από τα TM, TM+ και OLI σύμφωνα με τη θερμική υπέρυθρη ζώνη με αθροιστική χωρική ανάλυση 30 m, αντίστοιχα. Η τιμή του ψηφιακού αριθμού (DN) κάθε εικονοστοιχείου μετατρέπεται σε φασματική ακτινοβολία χρησιμοποιώντας την εξίσωση (3). 

<center> ''' R = ((LMAX − LMIN)/255) × DN + LMIN, (3) ''' </center>

όπου, R είναι η φασματική ακτινοβολία, LMAX είναι 15.600 (φασματική ακτινοβολία του υψηλότερου DN), και το LMIN είναι 1,238 (φασματική ακτινοβολία του DN που έχει αντίστοιχη τιμή 1). Το DN είναι η ψηφιακή τιμή αυτού του συγκεκριμένου pixel. Το επόμενο βήμα είναι η μετατροπή σε θερμοκρασία χρησιμοποιώντας την εξίσωση (4).

<center> ''' LST = K2/(ln((K1/R) + 1)), (4) ''' </center>

Τα K1 και K2 έχουν τις τιμές 607,76 και 1260,56 για TM και ETM+, και οι αντίστοιχες τιμές OLI είναι 772,88 και 1321,07. Τελικά, το LST μετατράπηκε σε Κελσίου (◦C) από Kelvin.

<center> ''' LST (◦C) = T (K) − 273,15, (5) ''' </center>

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ '''

''' 3.1. Παρακολούθηση ανωμαλιών υπόγειων υδάτων '''

Οι ανωμαλίες αποθήκευσης των υπόγειων υδάτων έχουν εξαχθεί από το GRACE με βάση τη συνολική αποθήκευση νερού και άλλες παραμέτρους από μοντέλα επιφάνειας γης GLDAS. Η περιοχή μελέτης της Λαχόρης έχει εξαντλήσει τους υπόγειους υδάτινους πόρους λόγω της υψηλής χρήσης υπόγειων υδάτων για τη γεωργία και της αστικοποίησης. Η μελέτη έλαβε τη χρονική διάρκεια από το 2003 έως το 2021. H συνολική αποθήκευση νερού στο μεγαλύτερο μέρος της περιοχής μελέτης αντιμετωπίζει συνεχείς φθίνουσες τάσεις. Οι χαμηλότερες τιμές αποθήκευσης υπόγειων υδάτων παρατηρούνται στην περίοδο πριν από τους μουσώνες ενώ έχει αυξηθεί σημαντικά τους μεταμουσώνες μήνες. Η διαρροή από επιφανειακά ύδατα και κανάλια είναι ένας παράγοντας που επηρεάζει την εισροή υπόγειων υδάτων και η μέση πτωτική τάση στην περιοχή είναι −1,2 cm ετησίως. Η Λαχόρη έχει υψηλό αριθμό υγρασίας εδάφους, που κυμαίνεται από -1,5 έως +2. Η υγρασία εδάφους είναι η πιο αποτελεσματική μεταβλητή για την παραγωγή σημάτων GRACE και το μέγεθος της έχει μειωθεί τα τελευταία χρόνια λόγω της αστικής επέκτασης στην περιοχή, η οποία είχε ως αποτέλεσμα τη μείωση του ρυθμού διείσδυσης, γεγονός που οδήγησε περαιτέρω σε μείωση της υγρασίας του εδάφους. Έχουν γίνει πολλές μελέτες για την αστική επέκταση της πόλης Λαχόρη, η οποία μετατράπηκε είτε από άγονη γη είτε από βλάστηση. Η Αποθήκευση νερού με θόλο κυμαίνεται από −0,004 έως +0,08 και εμφανίζει υψηλές τιμές στην αρχική περίοδο, οι οποίες μειώθηκαν τα τελευταία χρόνια, απεικονίζοντας μείωση της βλάστησης στην περιοχή μελέτης. Τα επιφανειακά ύδατα στην περιοχή μελέτης είναι λιγοστά. Οι βροχοπτώσεις έχουν υψηλές τιμές την εποχή των μουσώνων το 2013 και το 2014, συμβάλλοντας στην αύξηση των υπόγειων υδάτων στην περιοχή. Για την αποθήκευση υπόγειων υδάτων που βασίζεται στο GRACE, τα αποτελέσματα συσχετίζονται με τα δεδομένα των φρεατίων παρακολούθησης των υπόγειων υδάτων.

''' 3.2. Δυναμική αστικής επέκτασης και χαρτογράφηση κάλυψης γης '''

Η αναπτυξιακή ιστορία και ο σχεδιασμός χρήσης γης έχουν αναφερθεί σε αρκετές μελέτες για την πόλη της Λαχόρης αλλά αυτή η μελέτη ανέδειξε την επίδραση της αστικοποίησης στα υπόγεια ύδατα και την άνοδο της θερμοκρασίας τις τελευταίες δεκαετίες. Η αστική επέκταση είναι δύσκολο να προσδιοριστεί από μια σειρά χωρικών και χρονικών στοιχείων. Η σημαντική συμβολή στην αστική επέκταση στην πόλη της Λαχόρης είναι η μετανάστευση, η φυσική αύξηση και η συγχώνευση γειτονικών χωριών στην αστική περιοχή. Η απρογραμμάτιστη αστικοποίηση προκαλεί απρόβλεπτες μακροπρόθεσμες αλλαγές στο τοπίο της πόλης. Η διερεύνηση της υπάρχουσας οικολογικής κατάστασης της κάλυψης του εδάφους μιας περιοχής, ο εντοπισμός χωρικών και χρονικών αλλαγών είναι η πιο αποτελεσματική μέθοδος για την παρακολούθηση των διακυμάνσεων της γης. Η παρούσα μελέτη εξέτασε την αστική επέκταση από το 1990 έως το 2020 για να αξιολογήσει περαιτέρω τον αντίκτυπο της αστικοποίησης, μέσα από πολυφασματικές δορυφορικές εικόνες Landsat. Η ταχεία αύξηση του πληθυσμού των πόλεων και η αστική επέκταση είναι ο κύριος παράγοντας υψηλής εξόρυξης υπόγειων υδάτων. Η αστική επέκταση από το 1990 έως το 2020 έχει επηρεάσει σε μεγάλο βαθμό τη γεωργική περιοχή της Λαχόρης, καθώς η γεωργική περιοχή μετατρέπεται σε κατοικημένη περιοχή, η οποία επηρεάζει άμεσα και την άνοδο της θερμοκρασίας. Ο διαχωρισμός των χρήσεων γης περιλαμβάνει τρεις κατηγορίες: Άγονη γη, Γεωργική έκταση και Περιοχή χτισίματος. Η αστική επέκταση και άλλες υποδομές όπως η βιομηχανία ασκούν υψηλή πίεση στα υπόγεια ύδατα, καθώς επίσης, η αστική επέκταση επηρεάζει σημαντικά και τη βλάστηση. Kύρια αιτία αύξησης του αστικού πληθυσμού είναι η μετανάστευση από την ύπαιθρο προς την πόλη της Λαχόρη. 

''' 3.3. Αξιολόγηση της Χαρτογράφησης '''

Η άνοδος της θερμοκρασίας φαίνεται ξεκάθαρα στους χάρτες, κυρίως λόγω αστικοποίησης για τα έτη 1990, 2000, 2010 και 2020, με τη θερμοκρασία να κυμαίνεται από 15–41 ◦C, 17 44 ◦C, 21–45 ◦C και 23–47 ◦C, αντίστοιχα. Σε αυτή τη μελέτη, η πόλη της Λαχόρης είχε ελάχιστη θερμοκρασία 15 ◦C το 1990 και μέγιστη θερμοκρασία 47 ◦C το 2020. Ενώ η περιοχή είχε χαμηλή θερμοκρασία επιφάνειας λόγω της υψηλής βλάστησης που κάλυπτε την περιοχή μελέτης με την αστική επέκταση στην περιοχή, αυξήθηκε. Tο μεγαλύτερο μέρος της περιοχής πλέον είναι αστικοποιημένο και η περιοχή έχει πολύ υψηλή θερμοκρασία επιφάνειας με ελάχιστη περιοχή να καλύπτεται από βλάστηση. Οι πυκνοκατοικημένες εμπορικές, βιομηχανικές περιοχές έχουν υψηλότερες επιφανειακές θερμοκρασίες λόγω των αδιαπέραστων επιφανειών, καθώς οι τσιμεντένιες επιφάνειες απορροφούν και αποθηκεύουν θερμότητα κατά τη διάρκεια της ημέρας ενώ την απελευθερώνουν τη νύχτα.

''' 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Η μελέτη χρησιμοποίησε δεδομένα τηλεπισκόπησης για να βρει τη μείωση της αποθήκευσης των υπόγειων υδάτων και τη σύνδεσή της με την αστική επέκταση στη Λαχόρη. Η πόλη της Λαχόρης επεκτείνεται και η αστικοποίησή της καταναλώνει πολλούς φυσικούς πόρους στους οποίους η κύρια κατανάλωση είναι τα υπόγεια ύδατα. Στη Λαχόρη η αστική περιοχή αυξήθηκε από 659 km2 σε 1104 km2 και με τη συνολική αύξηση της αστικοποίησης αυξήθηκε και η θερμοκρασία της περιοχής. Η αύξηση της θερμοκρασίας δείχνει τις επιπτώσεις της αστικοποίησης καθώς και της κατανάλωσης των υπόγειων υδάτων. Η αύξηση της θερμοκρασίας μπορεί να οφείλεται στη μείωση της βλάστησης. 

[[category:Υδατικοί Πόροι]]

Επιπτώσεις της αστικοποίησης στα υπόγεια ύδατα και στις αλλαγές θερμοκρασίας στην επιφάνεια : Μια μελέτη της πόλης Λαχόρη

2024-02-16T07:33:52Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Impact of Urbanization on Groundwater and Surface Temperature Changes: A Case Study of Lahore City''

'''Συγγραφείς: ''' Huzaifah Zahran, Muhammad Zeeshan Ali, Khan Zaib Jadoon, Hammad Ullah Khan Yousafzai, Khalil Ur Rahman, Nadeem Ahmed Sheikh

'''Δημοσιεύθηκε: ''' ''Sustainability 2023, 15, 6864. https://doi.org/10.3390/su15086864''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Υδατικοί πόροι

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Μελέτη επιπτώσεων αστικοποίησης στα υπόγεια ύδατα και στις αλλαγές θερμοκρασίας '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_L_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Χάρτης τοποθεσίας της περιοχής μελέτης: (α) Χάρτης του Πακιστάν, (β) Χάρτης της επαρχίας Παντζάμπ με βάση τις περιφέρειες, (γ) Ειδικός χάρτης περιοχής μελέτης της Λαχόρης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Μεθοδολογία-Διάγραμμα ροής για την ερευνητική μελέτη, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' (α) Απεικονίζει παραλλαγές χρονοσειρών της συνολικής αποθήκευσης νερού (TWS), (β) Απεικονίζει την αποθήκευση υπόγειων υδάτων (GWS), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' Οι χρονικές διακυμάνσεις: (α) Υγρασία εδάφους, (β) Αποθήκευση νερού από θόλο (CWS), (γ) Επιφανειακό νερό (SW), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' Παραλλαγές χρονοσειρών GWS και Κατακρήμνισης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' Δείχνει τη συσχέτιση των δεδομένων σταθμών παρακολούθησης υπόγειων υδάτων με GWS που βασίζεται στο GRACE σε δύο διαφορετικές τοποθεσίες, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Χάρτες κάλυψης γης για δεκαετία: (α) Χάρτης κάλυψης γης του 1990, (β) Χάρτης κάλυψης γης του 2000, (γ) Χάρτης κάλυψης γης του 2010, (δ) Χάρτης κάλυψης γης του 2020, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Χρονική αλλαγή της αστικής/δομημένης περιοχής, της βλάστησης και της άγονης γης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Χάρτες θερμοκρασίας επιφάνειας γης για την περιοχή μελέτης: (α) Χάρτης του 1990, (β) Χάρτης του 2000, (γ) Χάρτης του 2010, (δ) Χάρτης του 2020, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

Με την αυξανόμενη ζήτηση για γλυκό νερό λόγω της πληθυσμιακής αύξησης και της αστικοποίησης, η πίεση στους παγκόσμιους υπόγειους υδάτινους πόρους έχει αυξηθεί τρομερά. Η κύρια πηγή παροχής νερού στην αστικοποιημένη περιοχή είναι κυρίως τα υπόγεια ύδατα που χρησιμοποιούν για οικιακή χρήση ή φρεάτια. Η υπερβολική εξάρτηση και η εξόρυξη των υπόγειων υδάτων συχνά οδηγούν στην εξάντληση της αποθήκευσης των υπόγειων υδάτων στην περιοχή. Σχεδόν το 50% του συνολικού παγκόσμιου πόσιμου νερού, το 40% του νερού χρησιμοποιείται σε άρδευση και σχεδόν το ένα τρίτο του νερού που απαιτείται από τη βιομηχανία χρησιμοποιείται από τους υπόγειους υδάτινους πόρους παγκοσμίως. Τα υπόγεια ύδατα αποτελούν μέρος του οικοσυστήματος που εμποδίζει την εισχώρηση θαλασσινού νερού και διατηρεί τη βασική ροή στα περισσότερα ποτάμια, η οποία αποτελεί μέρος του παγκόσμιου υδρολογικού κύκλου. Οι δορυφόροι Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) παρείχαν μια νέα προοπτική σχετικά με τις μεθόδους για την ακριβή παρακολούθηση των πηγών υπόγειων υδάτων του κόσμου, καθώς παρατηρεί τις αλλαγές στα πεδία βαρύτητας που προκύπτουν από τις διακυμάνσεις της μάζας στην επιφάνεια της γης, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διαμόρφωση της Συνολικής Αποθήκευσης Νερού (TWS). Το TWS είναι ένας συνδυασμός υγρασίας εδάφους (SM), αλλαγής αποθήκευσης υπόγειων υδάτων (GWSC) και εξαρτήματα μάζας που μεταβάλλουν τη βαρύτητα, όπως αποθήκευση επιφανειακών υδάτων, πάγος και χιόνι. Το GWSC μπορεί περαιτέρω να απομονωθεί από το TWS εκτιμώντας μεμονομένα εξαρτήματα, όπως αποθήκευση SM και επιφανειακών υδάτων, με τη βοήθεια Μοντέλων Επιφανειών Γης Global Land Data Assimilation System (GLDAS). Με τη βοήθεια των δορυφόρων GRACE, είναι εύκολο να παρακολουθούνται οι υπόγειοι υδάτινοι πόροι μεγάλων περιοχών με πολύ λιγότερες προσπάθειες, ωστόσο, είναι δύσκολο να αξιοποιήσει τα περιορισμένα δεδομένα απευθείας για αποφάσεις διαχείρισης. Η ανάλυση μπορεί να βελτιωθεί ενσωματώνοντας διάφορες προσεγγίσεις ισοζυγίου ενέργειας και μάζας μαζί με τοπικές μετρήσεις με τα δεδομένα GRACE για την εκτίμηση της αλλαγής στη συνολική αποθήκευση νερού, η οποία μπορεί να χρησιμοποιείται ως αναπαράσταση της μεταβολής της μάζας των υπόγειων υδάτων. Οι αλλαγές στη μάζα των υπόγειων υδάτων μπορούν περαιτέρω να συνδεθούν με σημαντικές αλλαγές στις χρήσεις γης και την κάλυψη γης (LULC) παγκοσμίως. Αυτές οι αλλαγές στο LULC μπορούν να συνδεθούν άμεσα με τη επίδραση φυσικών και ανθρωπογενών δραστηριοτήτων, οι οποίες επηρεάζουν σημαντικά το οικοσύστημα αυτών των λεκανών απορροής. Αυτές οι δραστηριότητες συνεπάγονται υψηλή αύξηση της αστικοποίησης, με αποτέλεσμα να υπάρχει επιζήμια επίδραση στους υπόγειους υδάτινους πόρους καθώς μειώνει σοβαρά την ικανότητα επαναφόρτισης της λεκάνης απορροής. Επομένως, είναι σημαντικό να συμπεριληφθούν οι επιπτώσεις του LULC στις πηγές υπόγειων υδάτων ενώ αναλύονται οι αλλαγές στην αποθήκευση των υπόγειων υδάτων οποιασδήποτε λεκάνης απορροής. Το ποσοστό της αδιαπέραστης περιοχής είναι υψηλότερο σε μια αστική περιοχή και, ως εκ τούτου, η θερμοκρασία της επιφάνειας είναι υψηλότερη από ό, τι σε μια περιοχή με βλάστηση. Αυτό συμβαίνει επειδή διαφορετικές επιφάνειες έχουν διαφορετική θερμική ικανότητα. Έτσι, όταν δέχονται παρόμοια ηλιακή ακτινοβολία, παρουσιάζουν διαφορετικές επιφανειακές θερμοκρασίες. Αυτές οι αλλαγές πρέπει να διερευνηθούν μέσω των πιο πρόσφατων διαθέσιμων τεχνικών, συμπεριλαμβανομένων των Συστημάτων Γεωγραφικών Πληροφοριών (GIS) και της τηλεπισκόπησης. Με το αυξανόμενο φορτίο στις παγκόσμιες πηγές υπόγειων υδάτων ως αποτέλεσμα της υψηλής ζήτησης γλυκού νερού λόγω της αυξανόμενης αστικοποίησης, υπάρχει τεράστια πίεση στους υπόγειους υδάτινους πόρους σε χώρες όπως το Πακιστάν. Πάνω από το 60% του νερού που καταναλώνεται για άρδευση και σχεδόν το 90% του πόσιμου νερού εξάγεται από τα υπόγεια ύδατα. Πάνω από 1 εκατομμύριο φρεάτια έχουν εγκατασταθεί και αντλούν υπόγεια ύδατα από την επαρχία Παντζάμπ, η οποία έχει οδηγήσει σε σοβαρή εξάντληση των υπόγειων υδάτινων πόρων. Οι παρατηρήσεις που καταγράφονται από τα φρεάτια παρακολούθησης είναι η κύρια πηγή πληροφοριών που χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση των συστημάτων υπόγειων υδάτων. Επιπλέον, η έλλειψη επαρκούς παρακολούθησης των φρεατίων σε περιοχές μεγάλης κλίμακας θέτει ένα ερωτηματικό στην αξιοπιστία και τη διαθεσιμότητα των δεδομένων που απαιτούνται από τους διαχειριστές των υπόγειων υδάτων, ωθώντας την ερευνητική κοινότητα να επιδιώξει νέες μεθόδους. Οι τεχνικές GIS και τηλεπισκόπησης έχουν αρχίσει να αποδεικνύονται για να καλύψουν αυτό το κενό. Αυτή η μελέτη επικεντρώθηκε κυρίως στην επίδραση της αλλαγής της κάλυψης του εδάφους στις αλλαγές των υπόγειων υδάτων και περαιτέρω αξιολόγηση των επιπτώσεων της εξάντλησης των υπόγειων υδάτων. 

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Περιοχή μελέτης '''

Η Λαχόρη είναι βιομηχανικός κόμβος και πρωτεύουσα της επαρχίας Παντζάμπ του Πακιστάν. Η συνολική ρύπανση στη Λαχόρη ήταν 6,3 εκατομμύρια το 1998 που αυξήθηκε σε 11,2 εκατομμύρια με ετήσια αύξηση 3% σύμφωνα με την πιο πρόσφατη απογραφή του 2017. Η περιοχή μελέτης βρίσκεται στην αριστερή όχθη του ποταμού Ράβι, με συνολική έκταση 1842 km2. Η γεωγραφική έκταση της Λαχόρης είναι 31◦130–31◦430 Β γεωγραφικό πλάτος και 74◦0 0–74◦39,50 Α γεωγραφικό μήκος. Από την άποψη του πληθυσμού, η Λαχόρη είναι η μεγαλούπολη της επαρχίας Παντζάμπ με περισσότερο από το 98% των ανθρώπων να ζουν σε αστικές περιοχές. Η Λαχόρη είναι γνωστή για την ιστορική της κουλτούρα, την υψηλή ακαδημαϊκή κοινότητα και την αλληλεπίδρασή της με τη γειτονική χώρα της Ινδίας. Η Λαχόρη έχει μια παλιά πολιτιστική κληρονομιά, η οποία προσελκύει το μεγαλύτερο μέρος του διεθνούς τουρισμού της περιοχής. Μετά τη συνθήκη του Ινδού για το νερό, η παροχή επιφανειακών υδάτων στο Παντζάμπ επηρεάστηκε σοβαρά και η Λαχόρη, που βρίσκεται στην όχθη του ποταμού Ράβι, ήταν μεταξύ των βασικών πόλεων που επλήγησαν. Η εισροή επιφανειακών υδάτων στη Λαχόρη μειώθηκε λόγω της μείωσης των εισροών από τον ποταμό Ράβι. Έτσι, για να ικανοποιηθεί η υψηλή ζήτηση νερού, το μεγαλύτερο μέρος του φορτίου μεταφέρθηκε στους υπόγειους υδάτινους πόρους της πόλης. Το 2014, υπολογίστηκε ότι η χρήση υπόγειων υδάτων στην πόλη ήταν περίπου 2,61 km3 ενώ η επαναφόρτιση ήταν μόνο 2,53 km3. Σχεδόν το 53% των υπόγειων υδάτων που εξορύσσονταν χρησιμοποιούνταν για οικιακούς σκοπούς, ενώ το υπόλοιπο 47% χρησιμοποιήθηκε για γεωργικούς, βιομηχανικούς και εμπορικούς σκοπούς. Η πόλη της Λαχόρης κατανέμεται σε εννέα διοικητικούς δήμους που διαχειρίζονται η διοίκηση τοπικής κλίμακας, δηλαδή, η δημοτική διοίκηση της πόλης και η περιοχή καντονιού του στρατού. Η χειμερινή περίοδος είναι από τον Νοέμβριο έως τον Μάρτιο και οι πιο κρύοι μήνες είναι ο Δεκέμβριος και ο Ιανουάριος με θερμοκρασία από 0 ◦C έως 3 ◦C. Τον Μάιο και τον Ιούνιο, με την υψηλότερη θερμοκρασία 48 ◦C, η μέση θερμοκρασία κατά τη διάρκεια της ημέρας στην περιοχή είναι από 40 ◦C έως 45 ◦C. Κατά τη διάρκεια της εποχής των μουσώνων, η Λαχόρη δέχεται υψηλές βροχοπτώσεις περίπου 600 mm τον Ιούλιο και τον Αύγουστο.

''' 2.2. Σύνολα δεδομένων '''

''' 2.2.1. Δεδομένα GRACE '''

Τα GRACE και GRACE-Follow On (GRACE-FO) είχαν ως στόχο τη μελέτη του παγκόσμιου κλίματος και της βαρύτητας της γης. Προηγούμενες μελέτες χρησιμοποιούσαν και τις δύο παρατηρήσεις, τα συνέκριναν με τα επί τόπου δεδομένα εδάφους και διαπίστωσαν ότι οι προσεγγίσεις Mascon (MSC) συσχετίζονται περισσότερο με την παρακολούθηση των υπόγειων υδάτων. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήσαμε μηνιαία παγκόσμια δεδομένα MSC από το κέντρο επεξεργασίας δεδομένων του Κέντρου Διαστημικής Έρευνας. Το Mascon έχει χωρική ανάλυση 3 μοιρών τόξου σε όλη την επιφάνεια της γης, όμως αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε τα δεδομένα των 0,5 μοιρών με το φίλτρο βελτίωσης ανάλυσης ακτών. Τα δεδομένα έχουν εξαχθεί για την περιοχή μελέτης από παγκόσμια προϊόντα για την εύρεση της χερσαίας αποθήκευσης νερού από το 2003 έως το 2021.

''' 2.2.2. Στοιχεία GLDAS '''

Το Παγκόσμιο Σύστημα Αφομοίωσης Δεδομένων Γης (GLDAS) αναφέρεται στην επίγεια μοντελοποίηση που ενσωματώνει προϊόντα δορυφορικών δεδομένων και επίγειες παρατηρήσεις. Το GLDAS χρησιμοποιεί τέσσερα είδη μοντέλων επιφανειών γης, συγκεκριμένα το Mosaic, Noah, Variable Infiltration Capacity και Community Land Model. Αυτή η μελέτη χρησιμοποιεί τα δεδομένα που προέρχονται από το Noah με χωρική ανάλυση 0,25◦ × 0,25◦. Η αποθήκευση νερού στο θόλο, η υγρασία του εδάφους και το ισοδύναμο νερού χιονιού εξάγεται από το Noah από τον Ιανουάριο του 2003 έως τον Δεκέμβριο του 2021.

''' 2.2.3. Δεδομένα TRMM '''

Η αποστολή μέτρησης τροπικών βροχοπτώσεων (TRMM) είναι μια κοινή δορυφορική αποστολή της Ιαπωνικής Υπηρεσίας Αεροδιαστημικής Εξερεύνησης και της Εθνικής Υπηρεσίας Αεροναυπηγικής και Διαστήματος για να βρει τη βροχόπτωση για κλιματική έρευνα. Το προϊόν είναι διαθέσιμο σε παγκόσμια κλίμακα από 50◦ Β έως 50◦ Ν. Τα μηνιαία δεδομένα με χωρική ανάλυση 0,25◦ × 0,25◦ χρησιμοποιήθηκαν για αυτή η μελέτη.

''' 2.2.4. Δεδομένα Landsat '''

Για τη χαρτογράφηση εδαφών, η ανάλυση περιλαμβάνει εικόνες από το 1990, το 2000, το 2010 και το 2020. Τα δεδομένα λαμβάνονται από το Landsat 5 και το Landsat 8 με χωρική ανάλυση 30 m. 

''' 2.3. Μεθοδολογία '''

''' 2.3.1. GRACE Επεξεργασία '''

Οι μηνιαίες λύσεις GRACE Mascon μας δίνουν συνολική αποθήκευση νερού με μια
μέση τιμή 300 × 300 km.Τα δεδομένα αλλάζουν μέγεθος σε διαφορετικές αναλύσεις pixel, δηλαδή 1◦ και 0,5◦ μοίρες. Μέχρι τώρα, η υψηλότερη ανάλυση είναι 0,5 μοίρες. Σε αυτή την μελέτη, τα δεδομένα συνολικής αποθήκευσης νερού χρησιμοποιήθηκαν από το 2003 έως το 2021. Τα δεδομένα που βασίζονται στο GRACE είναι ένα παγκόσμιο προϊόν, επομένως τα δεδομένα της περιοχής μελέτης εξήχθησαν από ένα παγκόσμιο προϊόν. Τα δεδομένα GLDAS είναι διαθέσιμα στις 0,25 μοίρες, έτσι ώστε η διάσταση να είναι συνεπής και το μέγεθος των δεδομένων GRACE άλλαξε περαιτέρω σε 0,25 από 0,5 μοίρες. Η εξίσωση (1) δείχνει τον συνδυασμό των υπόγειων υδάτων και άλλων μεταβλητών στη συνολική αποθήκευση χερσαίων υδάτων. 

<center> ''' ΔTWS = (ΔGW) + (ΔSWE) + (ΔSM) + (ΔCWS), (1) ''' </center>

''' 2.3.2. Times Series Analysis of GRACE-Based GWS '''

Το GLDAS χρησιμοποιεί μοντέλα επιφάνειας γης για να βρει τη διαφορετική μεταβλητή ποσότητα αποθηκευμένου νερού. Τα δεδομένα GLDAS μετατρέπονται σε εκατοστά για να συνάδουν με τα δεδομένα GRACE. Επιπλέον, η χωρική ανάλυση είναι 0,25 × 0,25 μοίρες και η εξίσωση (2) χρησιμοποιείται για την εξαγωγή ανωμαλιών υπόγειων υδάτων. 

<center> ''' ΔGW = (ΔTWS) + ((ΔSWE) + (ΔSM) + (ΔCWS)), (2) ''' </center>

''' 2.3.3. Χαρτογράφηση κάλυψης γης '''

Διαφορετικοί ερευνητές χρησιμοποιούν πολλαπλούς ταξινομητές για ταξινομήσεις κάλυψης γης. Οι εικόνες υποβλήθηκαν σε προεπεξεργασία πριν από περαιτέρω ανάλυση. Ο ταξινομητής μέγιστης πιθανότητας λειτουργεί σε πολυμεταβλητές συναρτήσεις πυκνότητας πιθανότητας κλάσεων για κάθε εικονοστοιχείο. Το εικονοστοιχείο εκχωρείται στη συγκεκριμένη κατηγορία με μέγιστη πιθανότητα φασματικής ανάκλασης στην καθορισμένη τάξη εκπαίδευσης. Η περιοχή μελέτης χωρίζεται σε τέσσερις κύριες κατηγορίες: οικισμό, βλάστηση, άγονη γη και νερό. Συλλέχθηκαν δείγματα εκπαίδευσης για αυτές τις καθορισμένες τάξεις από τις οπτικές εικόνες Landsat-8 με την υποστήριξη πληροφοριών που είναι διαθέσιμες στο Google Earth. Συλλέχθηκαν δεκαέξι σετ δειγμάτων εκπαίδευσης για κάθε κατηγορία κάλυψης γης με εργαλεία ανάπτυξης περιοχής, όπως ο συνολικός αριθμός δειγμάτων εκπαίδευσης για δεδομένα Landsat-8. Με βάση τα συνολικά δείγματα εκπαίδευσης, 70% δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν για το μοντέλο και 30% χρησιμοποιήθηκαν για τη δοκιμή των αποτελεσμάτων του μοντέλου. Η συνολική ακρίβεια έχει αξιολογηθεί με βάση τα δεδομένα δοκιμών. 

''' 2.3.4. Θερμοκρασία επιφάνειας γης '''

Η συλλογική θερμοκρασία των ανέπαφων αντικειμένων στην επιφάνεια της γης είναι γνωστή ως θερμοκρασία της επιφάνειας της γης. Σε όλο τον κόσμο, οι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει πολλαπλές μετρήσεις στη θερμική υπέρυθρη ζώνη. Οι τιμές ελήφθησαν από τα TM, TM+ και OLI σύμφωνα με τη θερμική υπέρυθρη ζώνη με αθροιστική χωρική ανάλυση 30 m, αντίστοιχα. Η τιμή του ψηφιακού αριθμού (DN) κάθε εικονοστοιχείου μετατρέπεται σε φασματική ακτινοβολία χρησιμοποιώντας την εξίσωση (3). 

<center> ''' R = ((LMAX − LMIN)/255) × DN + LMIN, (3) ''' </center>

όπου, R είναι η φασματική ακτινοβολία, LMAX είναι 15.600 (φασματική ακτινοβολία του υψηλότερου DN), και το LMIN είναι 1,238 (φασματική ακτινοβολία του DN που έχει αντίστοιχη τιμή 1). Το DN είναι η ψηφιακή τιμή αυτού του συγκεκριμένου pixel. Το επόμενο βήμα είναι η μετατροπή σε θερμοκρασία χρησιμοποιώντας την εξίσωση (4).

<center> ''' LST = K2/(ln((K1/R) + 1)), (4) ''' </center>

Τα K1 και K2 έχουν τις τιμές 607,76 και 1260,56 για TM και ETM+, και οι αντίστοιχες τιμές OLI είναι 772,88 και 1321,07. Τελικά, το LST μετατράπηκε σε Κελσίου (◦C) από Kelvin.

<center> ''' LST (◦C) = T (K) − 273,15, (5) ''' </center>

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ '''

''' 3.1. Παρακολούθηση ανωμαλιών υπόγειων υδάτων '''

Οι ανωμαλίες αποθήκευσης των υπόγειων υδάτων έχουν εξαχθεί από το GRACE με βάση τη συνολική αποθήκευση νερού και άλλες παραμέτρους από μοντέλα επιφάνειας γης GLDAS. Η περιοχή μελέτης της Λαχόρης έχει εξαντλήσει τους υπόγειους υδάτινους πόρους λόγω της υψηλής χρήσης υπόγειων υδάτων για τη γεωργία και της αστικοποίησης. Η μελέτη έλαβε τη χρονική διάρκεια από το 2003 έως το 2021. H συνολική αποθήκευση νερού στο μεγαλύτερο μέρος της περιοχής μελέτης αντιμετωπίζει συνεχείς φθίνουσες τάσεις. Οι χαμηλότερες τιμές αποθήκευσης υπόγειων υδάτων παρατηρούνται στην περίοδο πριν από τους μουσώνες ενώ έχει αυξηθεί σημαντικά τους μεταμουσώνες μήνες. Η διαρροή από επιφανειακά ύδατα και κανάλια είναι ένας παράγοντας που επηρεάζει την εισροή υπόγειων υδάτων και η μέση πτωτική τάση στην περιοχή είναι −1,2 cm ετησίως. Η Λαχόρη έχει υψηλό αριθμό υγρασίας εδάφους, που κυμαίνεται από -1,5 έως +2. Η υγρασία εδάφους είναι η πιο αποτελεσματική μεταβλητή για την παραγωγή σημάτων GRACE και το μέγεθος της έχει μειωθεί τα τελευταία χρόνια λόγω της αστικής επέκτασης στην περιοχή, η οποία είχε ως αποτέλεσμα τη μείωση του ρυθμού διείσδυσης, γεγονός που οδήγησε περαιτέρω σε μείωση της υγρασίας του εδάφους. Έχουν γίνει πολλές μελέτες για την αστική επέκταση της πόλης Λαχόρη, η οποία μετατράπηκε είτε από άγονη γη είτε από βλάστηση. Η Αποθήκευση νερού με θόλο κυμαίνεται από −0,004 έως +0,08 και εμφανίζει υψηλές τιμές στην αρχική περίοδο, οι οποίες μειώθηκαν τα τελευταία χρόνια, απεικονίζοντας μείωση της βλάστησης στην περιοχή μελέτης. Τα επιφανειακά ύδατα στην περιοχή μελέτης είναι λιγοστά. Οι βροχοπτώσεις έχουν υψηλές τιμές την εποχή των μουσώνων το 2013 και το 2014, συμβάλλοντας στην αύξηση των υπόγειων υδάτων στην περιοχή. Για την αποθήκευση υπόγειων υδάτων που βασίζεται στο GRACE, τα αποτελέσματα συσχετίζονται με τα δεδομένα των φρεατίων παρακολούθησης των υπόγειων υδάτων.

''' 3.2. Δυναμική αστικής επέκτασης και χαρτογράφηση κάλυψης γης '''

Η αναπτυξιακή ιστορία και ο σχεδιασμός χρήσης γης έχουν αναφερθεί σε αρκετές μελέτες για την πόλη της Λαχόρης αλλά αυτή η μελέτη ανέδειξε την επίδραση της αστικοποίησης στα υπόγεια ύδατα και την άνοδο της θερμοκρασίας τις τελευταίες δεκαετίες. Η αστική επέκταση είναι δύσκολο να προσδιοριστεί από μια σειρά χωρικών και χρονικών στοιχείων. Η σημαντική συμβολή στην αστική επέκταση στην πόλη της Λαχόρης είναι η μετανάστευση, η φυσική αύξηση και η συγχώνευση γειτονικών χωριών στην αστική περιοχή. Η απρογραμμάτιστη αστικοποίηση προκαλεί απρόβλεπτες μακροπρόθεσμες αλλαγές στο τοπίο της πόλης. Η διερεύνηση της υπάρχουσας οικολογικής κατάστασης της κάλυψης του εδάφους μιας περιοχής, ο εντοπισμός χωρικών και χρονικών αλλαγών είναι η πιο αποτελεσματική μέθοδος για την παρακολούθηση των διακυμάνσεων της γης. Η παρούσα μελέτη εξέτασε την αστική επέκταση από το 1990 έως το 2020 για να αξιολογήσει περαιτέρω τον αντίκτυπο της αστικοποίησης, μέσα από πολυφασματικές δορυφορικές εικόνες Landsat. Η ταχεία αύξηση του πληθυσμού των πόλεων και η αστική επέκταση είναι ο κύριος παράγοντας υψηλής εξόρυξης υπόγειων υδάτων. Η αστική επέκταση από το 1990 έως το 2020 έχει επηρεάσει σε μεγάλο βαθμό τη γεωργική περιοχή της Λαχόρης, καθώς η γεωργική περιοχή μετατρέπεται σε κατοικημένη περιοχή, η οποία επηρεάζει άμεσα και την άνοδο της θερμοκρασίας. Ο διαχωρισμός των χρήσεων γης περιλαμβάνει τρεις κατηγορίες: Άγονη γη, Γεωργική έκταση και Περιοχή χτισίματος. Η αστική επέκταση και άλλες υποδομές όπως η βιομηχανία ασκούν υψηλή πίεση στα υπόγεια ύδατα, καθώς επίσης, η αστική επέκταση επηρεάζει σημαντικά και τη βλάστηση. Kύρια αιτία αύξησης του αστικού πληθυσμού είναι η μετανάστευση από την ύπαιθρο προς την πόλη της Λαχόρη. 

''' 3.3. Αξιολόγηση της Χαρτογράφησης '''

Η άνοδος της θερμοκρασίας φαίνεται ξεκάθαρα στους χάρτες, κυρίως λόγω αστικοποίησης για τα έτη 1990, 2000, 2010 και 2020, με τη θερμοκρασία να κυμαίνεται από 15–41 ◦C, 17 44 ◦C, 21–45 ◦C και 23–47 ◦C, αντίστοιχα. Σε αυτή τη μελέτη, η πόλη της Λαχόρης είχε ελάχιστη θερμοκρασία 15 ◦C το 1990 και μέγιστη θερμοκρασία 47 ◦C το 2020. Ενώ η περιοχή είχε χαμηλή θερμοκρασία επιφάνειας λόγω της υψηλής βλάστησης που κάλυπτε την περιοχή μελέτης με την αστική επέκταση στην περιοχή, αυξήθηκε. Tο μεγαλύτερο μέρος της περιοχής πλέον είναι αστικοποιημένο και η περιοχή έχει πολύ υψηλή θερμοκρασία επιφάνειας με ελάχιστη περιοχή να καλύπτεται από βλάστηση. Οι πυκνοκατοικημένες εμπορικές, βιομηχανικές περιοχές έχουν υψηλότερες επιφανειακές θερμοκρασίες λόγω των αδιαπέραστων επιφανειών, καθώς οι τσιμεντένιες επιφάνειες απορροφούν και αποθηκεύουν θερμότητα κατά τη διάρκεια της ημέρας ενώ την απελευθερώνουν τη νύχτα.

''' 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Η μελέτη χρησιμοποίησε δεδομένα τηλεπισκόπησης για να βρει τη μείωση της αποθήκευσης των υπόγειων υδάτων και τη σύνδεσή της με την αστική επέκταση στη Λαχόρη. Η πόλη της Λαχόρης επεκτείνεται και η αστικοποίησή της καταναλώνει πολλούς φυσικούς πόρους στους οποίους η κύρια κατανάλωση είναι τα υπόγεια ύδατα. Στη Λαχόρη η αστική περιοχή αυξήθηκε από 659 km2 σε 1104 km2 και με τη συνολική αύξηση της αστικοποίησης αυξήθηκε και η θερμοκρασία της περιοχής. Η αύξηση της θερμοκρασίας δείχνει τις επιπτώσεις της αστικοποίησης καθώς και της κατανάλωσης των υπόγειων υδάτων. Η αύξηση της θερμοκρασίας μπορεί να οφείλεται στη μείωση της βλάστησης. 

[[category:Υδατικοί Πόροι]]

Επιπτώσεις της αστικοποίησης στα υπόγεια ύδατα και στις αλλαγές θερμοκρασίας στην επιφάνεια : Μια μελέτη της πόλης Λαχόρη

2024-02-16T07:29:58Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Impact of Urbanization on Groundwater and Surface Temperature Changes: A Case Study of Lahore City''

'''Συγγραφείς: ''' Huzaifah Zahran, Muhammad Zeeshan Ali, Khan Zaib Jadoon, Hammad Ullah Khan Yousafzai, Khalil Ur Rahman, Nadeem Ahmed Sheikh

'''Δημοσιεύθηκε: ''' ''Sustainability 2023, 15, 6864. https://doi.org/10.3390/su15086864''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Υδατικοί πόροι

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Μελέτη επιπτώσεων αστικοποίησης στα υπόγεια ύδατα και στις αλλαγές θερμοκρασίας '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_L_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Χάρτης τοποθεσίας της περιοχής μελέτης: (α) Χάρτης του Πακιστάν, (β) Χάρτης της επαρχίας Παντζάμπ με βάση τις περιφέρειες, (γ) Ειδικός χάρτης περιοχής μελέτης της Λαχόρης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Μεθοδολογία-Διάγραμμα ροής για την ερευνητική μελέτη, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' (α) Απεικονίζει παραλλαγές χρονοσειρών της συνολικής αποθήκευσης νερού (TWS), (β) Απεικονίζει την αποθήκευση υπόγειων υδάτων (GWS), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' Οι χρονικές διακυμάνσεις: (α) Υγρασία εδάφους, (β) Αποθήκευση νερού από θόλο (CWS), (γ) Επιφανειακό νερό (SW), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' Παραλλαγές χρονοσειρών GWS και Κατακρήμνισης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' Δείχνει τη συσχέτιση των δεδομένων σταθμών παρακολούθησης υπόγειων υδάτων με GWS που βασίζεται στο GRACE σε δύο διαφορετικές τοποθεσίες, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Χάρτες κάλυψης γης για δεκαετία: (α) Χάρτης κάλυψης γης του 1990, (β) Χάρτης κάλυψης γης του 2000, (γ) Χάρτης κάλυψης γης του 2010, (δ) Χάρτης κάλυψης γης του 2020, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Χρονική αλλαγή της αστικής/δομημένης περιοχής, της βλάστησης και της άγονης γης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Χάρτες θερμοκρασίας επιφάνειας γης για την περιοχή μελέτης: (α) Χάρτης του 1990, (β) Χάρτης του 2000, (γ) Χάρτης του 2010, (δ) Χάρτης του 2020, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

Με την αυξανόμενη ζήτηση για γλυκό νερό λόγω της πληθυσμιακής αύξησης και της αστικοποίησης, η πίεση στους παγκόσμιους υπόγειους υδάτινους πόρους έχει αυξηθεί τρομερά. Η κύρια πηγή παροχής νερού στην αστικοποιημένη περιοχή είναι κυρίως τα υπόγεια ύδατα που χρησιμοποιούν για οικιακή χρήση ή φρεάτια. Η υπερβολική εξάρτηση και η εξόρυξη των υπόγειων υδάτων συχνά οδηγούν στην εξάντληση της αποθήκευσης των υπόγειων υδάτων στην περιοχή. Σχεδόν το 50% του συνολικού παγκόσμιου πόσιμου νερού, το 40% του νερού χρησιμοποιείται σε άρδευση και σχεδόν το ένα τρίτο του νερού που απαιτείται από τη βιομηχανία χρησιμοποιείται από τους υπόγειους υδάτινους πόρους παγκοσμίως. Τα υπόγεια ύδατα αποτελούν μέρος του οικοσυστήματος που εμποδίζει την εισχώρηση θαλασσινού νερού και διατηρεί τη βασική ροή στα περισσότερα ποτάμια, η οποία αποτελεί μέρος του παγκόσμιου υδρολογικού κύκλου. Οι δορυφόροι Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) παρείχαν μια νέα προοπτική σχετικά με τις μεθόδους για την ακριβή παρακολούθηση των πηγών υπόγειων υδάτων του κόσμου, καθώς παρατηρεί τις αλλαγές στα πεδία βαρύτητας που προκύπτουν από τις διακυμάνσεις της μάζας στην επιφάνεια της γης, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διαμόρφωση της Συνολικής Αποθήκευσης Νερού (TWS). Το TWS είναι ένας συνδυασμός υγρασίας εδάφους (SM), αλλαγής αποθήκευσης υπόγειων υδάτων (GWSC) και εξαρτήματα μάζας που μεταβάλλουν τη βαρύτητα, όπως αποθήκευση επιφανειακών υδάτων, πάγος και χιόνι. Το GWSC μπορεί περαιτέρω να απομονωθεί από το TWS εκτιμώντας μεμονομένα εξαρτήματα, όπως αποθήκευση SM και επιφανειακών υδάτων, με τη βοήθεια Μοντέλων Επιφανειών Γης Global Land Data Assimilation System (GLDAS). Με τη βοήθεια των δορυφόρων GRACE, είναι εύκολο να παρακολουθούνται οι υπόγειοι υδάτινοι πόροι μεγάλων περιοχών με πολύ λιγότερες προσπάθειες, ωστόσο, είναι δύσκολο να αξιοποιήσει τα περιορισμένα δεδομένα απευθείας για αποφάσεις διαχείρισης. Η ανάλυση μπορεί να βελτιωθεί ενσωματώνοντας διάφορες προσεγγίσεις ισοζυγίου ενέργειας και μάζας μαζί με τοπικές μετρήσεις με τα δεδομένα GRACE για την εκτίμηση της αλλαγής στη συνολική αποθήκευση νερού, η οποία μπορεί να χρησιμοποιείται ως αναπαράσταση της μεταβολής της μάζας των υπόγειων υδάτων. Οι αλλαγές στη μάζα των υπόγειων υδάτων μπορούν περαιτέρω να συνδεθούν με σημαντικές αλλαγές στις χρήσεις γης και την κάλυψη γης (LULC) παγκοσμίως. Αυτές οι αλλαγές στο LULC μπορούν να συνδεθούν άμεσα με τη επίδραση φυσικών και ανθρωπογενών δραστηριοτήτων, οι οποίες επηρεάζουν σημαντικά το οικοσύστημα αυτών των λεκανών απορροής. Αυτές οι δραστηριότητες συνεπάγονται υψηλή αύξηση της αστικοποίησης, με αποτέλεσμα να υπάρχει επιζήμια επίδραση στους υπόγειους υδάτινους πόρους καθώς μειώνει σοβαρά την ικανότητα επαναφόρτισης της λεκάνης απορροής. Επομένως, είναι σημαντικό να συμπεριληφθούν οι επιπτώσεις του LULC στις πηγές υπόγειων υδάτων ενώ αναλύονται οι αλλαγές στην αποθήκευση των υπόγειων υδάτων οποιασδήποτε λεκάνης απορροής. Το ποσοστό της αδιαπέραστης περιοχής είναι υψηλότερο σε μια αστική περιοχή και, ως εκ τούτου, η θερμοκρασία της επιφάνειας είναι υψηλότερη από ό, τι σε μια περιοχή με βλάστηση. Αυτό συμβαίνει επειδή διαφορετικές επιφάνειες έχουν διαφορετική θερμική ικανότητα. Έτσι, όταν δέχονται παρόμοια ηλιακή ακτινοβολία, παρουσιάζουν διαφορετικές επιφανειακές θερμοκρασίες. Αυτές οι αλλαγές πρέπει να διερευνηθούν μέσω των πιο πρόσφατων διαθέσιμων τεχνικών, συμπεριλαμβανομένων των Συστημάτων Γεωγραφικών Πληροφοριών (GIS) και της τηλεπισκόπησης. Με το αυξανόμενο φορτίο στις παγκόσμιες πηγές υπόγειων υδάτων ως αποτέλεσμα της υψηλής ζήτησης γλυκού νερού λόγω της αυξανόμενης αστικοποίησης, υπάρχει τεράστια πίεση στους υπόγειους υδάτινους πόρους σε χώρες όπως το Πακιστάν. Πάνω από το 60% του νερού που καταναλώνεται για άρδευση και σχεδόν το 90% του πόσιμου νερού εξάγεται από τα υπόγεια ύδατα. Πάνω από 1 εκατομμύριο φρεάτια έχουν εγκατασταθεί και αντλούν υπόγεια ύδατα από την επαρχία Παντζάμπ, η οποία έχει οδηγήσει σε σοβαρή εξάντληση των υπόγειων υδάτινων πόρων. Οι παρατηρήσεις που καταγράφονται από τα φρεάτια παρακολούθησης είναι η κύρια πηγή πληροφοριών που χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση των συστημάτων υπόγειων υδάτων. Επιπλέον, η έλλειψη επαρκούς παρακολούθησης των φρεατίων σε περιοχές μεγάλης κλίμακας θέτει ένα ερωτηματικό στην αξιοπιστία και τη διαθεσιμότητα των δεδομένων που απαιτούνται από τους διαχειριστές των υπόγειων υδάτων, ωθώντας την ερευνητική κοινότητα να επιδιώξει νέες μεθόδους. Οι τεχνικές GIS και τηλεπισκόπησης έχουν αρχίσει να αποδεικνύονται για να καλύψουν αυτό το κενό. Αυτή η μελέτη επικεντρώθηκε κυρίως στην επίδραση της αλλαγής της κάλυψης του εδάφους στις αλλαγές των υπόγειων υδάτων και περαιτέρω αξιολόγηση των επιπτώσεων της εξάντλησης των υπόγειων υδάτων. 

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Περιοχή μελέτης '''

Η Λαχόρη είναι βιομηχανικός κόμβος και πρωτεύουσα της επαρχίας Παντζάμπ του Πακιστάν. Η συνολική ρύπανση στη Λαχόρη ήταν 6,3 εκατομμύρια το 1998 που αυξήθηκε σε 11,2 εκατομμύρια με ετήσια αύξηση 3% σύμφωνα με την πιο πρόσφατη απογραφή του 2017. Η περιοχή μελέτης βρίσκεται στην αριστερή όχθη του ποταμού Ράβι, με συνολική έκταση 1842 km2. Η γεωγραφική έκταση της Λαχόρης είναι 31◦130–31◦430 Β γεωγραφικό πλάτος και 74◦0 0–74◦39,50 Α γεωγραφικό μήκος. Από την άποψη του πληθυσμού, η Λαχόρη είναι η μεγαλούπολη της επαρχίας Παντζάμπ με περισσότερο από το 98% των ανθρώπων να ζουν σε αστικές περιοχές. Η Λαχόρη είναι γνωστή για την ιστορική της κουλτούρα, την υψηλή ακαδημαϊκή κοινότητα και την αλληλεπίδρασή της με τη γειτονική χώρα της Ινδίας. Η Λαχόρη έχει μια παλιά πολιτιστική κληρονομιά, η οποία προσελκύει το μεγαλύτερο μέρος του διεθνούς τουρισμού της περιοχής. Μετά τη συνθήκη του Ινδού για το νερό, η παροχή επιφανειακών υδάτων στο Παντζάμπ επηρεάστηκε σοβαρά και η Λαχόρη, που βρίσκεται στην όχθη του ποταμού Ράβι, ήταν μεταξύ των βασικών πόλεων που επλήγησαν. Η εισροή επιφανειακών υδάτων στη Λαχόρη μειώθηκε λόγω της μείωσης των εισροών από τον ποταμό Ράβι. Έτσι, για να ικανοποιηθεί η υψηλή ζήτηση νερού, το μεγαλύτερο μέρος του φορτίου μεταφέρθηκε στους υπόγειους υδάτινους πόρους της πόλης. Το 2014, υπολογίστηκε ότι η χρήση υπόγειων υδάτων στην πόλη ήταν περίπου 2,61 km3 ενώ η επαναφόρτιση ήταν μόνο 2,53 km3. Σχεδόν το 53% των υπόγειων υδάτων που εξορύσσονταν χρησιμοποιούνταν για οικιακούς σκοπούς, ενώ το υπόλοιπο 47% χρησιμοποιήθηκε για γεωργικούς, βιομηχανικούς και εμπορικούς σκοπούς. Η πόλη της Λαχόρης κατανέμεται σε εννέα διοικητικούς δήμους που διαχειρίζονται η διοίκηση τοπικής κλίμακας, δηλαδή, η δημοτική διοίκηση της πόλης και η περιοχή καντονιού του στρατού. Η χειμερινή περίοδος είναι από τον Νοέμβριο έως τον Μάρτιο και οι πιο κρύοι μήνες είναι ο Δεκέμβριος και ο Ιανουάριος με θερμοκρασία από 0 ◦C έως 3 ◦C. Τον Μάιο και τον Ιούνιο, με την υψηλότερη θερμοκρασία 48 ◦C, η μέση θερμοκρασία κατά τη διάρκεια της ημέρας στην περιοχή είναι από 40 ◦C έως 45 ◦C. Κατά τη διάρκεια της εποχής των μουσώνων, η Λαχόρη δέχεται υψηλές βροχοπτώσεις περίπου 600 mm τον Ιούλιο και τον Αύγουστο.

''' 2.2. Σύνολα δεδομένων '''

''' 2.2.1. Δεδομένα GRACE '''

Τα GRACE και GRACE-Follow On (GRACE-FO) είχαν ως στόχο τη μελέτη του παγκόσμιου κλίματος και της βαρύτητας της γης. Προηγούμενες μελέτες χρησιμοποιούσαν και τις δύο παρατηρήσεις, τα συνέκρινε με τα επί τόπου δεδομένα εδάφους και διαπίστωσε ότι οι προσεγγίσεις Mascon (MSC) συσχετίζονται περισσότερο με την παρακολούθηση των υπόγειων υδάτων. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήσαμε μηνιαία παγκόσμια δεδομένα MSC από το κέντρο επεξεργασίας δεδομένων του Κέντρου Διαστημικής Έρευνας. Το Mascon έχει χωρική ανάλυση 3 μοιρών τόξου σε όλη την επιφάνεια της γης, όμως αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε τα δεδομένα των 0,5 μοιρών με το φίλτρο βελτίωσης ανάλυσης ακτών. Τα δεδομένα έχουν εξαχθεί για την περιοχή μελέτης από παγκόσμια προϊόντα για την εύρεση της χερσαίας αποθήκευσης νερού από το 2003 έως το 2021.

''' 2.2.2. Στοιχεία GLDAS '''

Το Παγκόσμιο Σύστημα Αφομοίωσης Δεδομένων Γης (GLDAS) αναφέρεται στην επίγεια μοντελοποίηση που ενσωματώνει προϊόντα δορυφορικών δεδομένων και επίγειες παρατηρήσεις. Το GLDAS χρησιμοποιεί τέσσερα είδη μοντέλων επιφανειών γης, συγκεκριμένα το Mosaic, Noah, Variable Infiltration Capacity και Community Land Model. Αυτή η μελέτη χρησιμοποιεί τα δεδομένα που προέρχονται από το Noah με χωρική ανάλυση 0,25◦ × 0,25◦. Η αποθήκευση νερού στο θόλο, η υγρασία του εδάφους και το ισοδύναμο νερού χιονιού εξάγεται από το Noah από τον Ιανουάριο του 2003 έως τον Δεκέμβριο του 2021.

''' 2.2.3. Δεδομένα TRMM '''

Η αποστολή μέτρησης τροπικών βροχοπτώσεων (TRMM) είναι μια κοινή δορυφορική αποστολή της Ιαπωνικής Υπηρεσίας Αεροδιαστημικής Εξερεύνησης και της Εθνικής Υπηρεσίας Αεροναυπηγικής και Διαστήματος για να βρει τη βροχόπτωση για κλιματική έρευνα. Το προϊόν είναι διαθέσιμο σε παγκόσμια κλίμακα από 50◦ Β έως 50◦ Ν. Τα μηνιαία δεδομένα με χωρική ανάλυση 0,25◦ × 0,25◦ χρησιμοποιήθηκαν για αυτή η μελέτη.

''' 2.2.4. Δεδομένα Landsat '''

Για τη χαρτογράφηση εδαφών, η ανάλυση περιλαμβάνει εικόνες από το 1990, το 2000, το 2010 και το 2020. Τα δεδομένα λαμβάνονται από το Landsat 5 και το Landsat 8 με χωρική ανάλυση 30 m. 

''' 2.3. Μεθοδολογία '''

''' 2.3.1. GRACE Επεξεργασία '''

Οι μηνιαίες λύσεις GRACE Mascon μας δίνουν συνολική αποθήκευση νερού με μια
μέση τιμή 300 × 300 km.Τα δεδομένα αλλάζουν μέγεθος σε διαφορετικές αναλύσεις pixel, δηλαδή 1◦ και 0,5◦ μοίρες. Μέχρι τώρα, η υψηλότερη ανάλυση είναι 0,5 μοίρες. Σε αυτή την μελέτη, τα δεδομένα συνολικής αποθήκευσης νερού χρησιμοποιήθηκαν από το 2003 έως το 2021. Τα δεδομένα που βασίζονται στο GRACE είναι ένα παγκόσμιο προϊόν, επομένως τα δεδομένα της περιοχής μελέτης εξήχθησαν από ένα παγκόσμιο προϊόν. Τα δεδομένα GLDAS είναι διαθέσιμα στις 0,25 μοίρες, έτσι ώστε η διάσταση να είναι συνεπής και το μέγεθος των δεδομένων GRACE άλλαξε περαιτέρω σε 0,25 από 0,5 μοίρες. Η εξίσωση (1) δείχνει τον συνδυασμό των υπόγειων υδάτων και άλλων μεταβλητών στη συνολική αποθήκευση χερσαίων υδάτων. 

<center> ''' ΔTWS = (ΔGW) + (ΔSWE) + (ΔSM) + (ΔCWS), (1) ''' </center>

''' 2.3.2. Times Series Analysis of GRACE-Based GWS '''

Το GLDAS χρησιμοποιεί μοντέλα επιφάνειας γης για να βρει τη διαφορετική μεταβλητή ποσότητα αποθηκευμένου νερού. Τα δεδομένα GLDAS μετατρέπονται σε εκατοστά για να συνάδουν με τα δεδομένα GRACE. Επιπλέον, η χωρική ανάλυση είναι 0,25 × 0,25 μοίρες και η εξίσωση (2) χρησιμοποιείται για την εξαγωγή ανωμαλιών υπόγειων υδάτων. 

<center> ''' ΔGW = (ΔTWS) + ((ΔSWE) + (ΔSM) + (ΔCWS)), (2) ''' </center>

''' 2.3.3. Χαρτογράφηση κάλυψης γης '''

Διαφορετικοί ερευνητές χρησιμοποιούν πολλαπλούς ταξινομητές για ταξινομήσεις κάλυψης γης. Οι εικόνες υποβλήθηκαν σε προεπεξεργασία πριν από περαιτέρω ανάλυση. Ο ταξινομητής μέγιστης πιθανότητας λειτουργεί σε πολυμεταβλητές συναρτήσεις πυκνότητας πιθανότητας κλάσεων για κάθε εικονοστοιχείο. Το εικονοστοιχείο εκχωρείται στη συγκεκριμένη κατηγορία με μέγιστη πιθανότητα φασματικής ανάκλασης στην καθορισμένη τάξη εκπαίδευσης. Η περιοχή μελέτης χωρίζεται σε τέσσερις κύριες κατηγορίες: οικισμό, βλάστηση, άγονη γη και νερό. Συλλέχθηκαν δείγματα εκπαίδευσης για αυτές τις καθορισμένες τάξεις από τις οπτικές εικόνες Landsat-8 με την υποστήριξη πληροφοριών που είναι διαθέσιμες στο Google Earth. Συλλέχθηκαν δεκαέξι σετ δειγμάτων εκπαίδευσης για κάθε κατηγορία κάλυψης γης με εργαλεία ανάπτυξης περιοχής, όπως ο συνολικός αριθμός δειγμάτων εκπαίδευσης για δεδομένα Landsat-8. Με βάση τα συνολικά δείγματα εκπαίδευσης, 70% δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν για το μοντέλο και 30% χρησιμοποιήθηκαν για τη δοκιμή των αποτελεσμάτων του μοντέλου. Η συνολική ακρίβεια έχει αξιολογηθεί με βάση τα δεδομένα δοκιμών. 

''' 2.3.4. Θερμοκρασία επιφάνειας γης '''

Η συλλογική θερμοκρασία των ανέπαφων αντικειμένων στην επιφάνεια της γης είναι γνωστή ως θερμοκρασία της επιφάνειας της γης. Σε όλο τον κόσμο, οι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει πολλαπλές μετρήσεις στη θερμική υπέρυθρη ζώνη. Οι τιμές ελήφθησαν από τα TM, TM+ και OLI σύμφωνα με τη θερμική υπέρυθρη ζώνη με αθροιστική χωρική ανάλυση 30 m, αντίστοιχα. Η τιμή του ψηφιακού αριθμού (DN) κάθε εικονοστοιχείου μετατρέπεται σε φασματική ακτινοβολία χρησιμοποιώντας την εξίσωση (3). 

<center> ''' R = ((LMAX − LMIN)/255) × DN + LMIN, (3) ''' </center>

όπου, R είναι η φασματική ακτινοβολία, LMAX είναι 15.600 (φασματική ακτινοβολία του υψηλότερου DN), και το LMIN είναι 1,238 (φασματική ακτινοβολία του DN που έχει αντίστοιχη τιμή 1). Το DN είναι η ψηφιακή τιμή αυτού του συγκεκριμένου pixel. Το επόμενο βήμα είναι η μετατροπή σε θερμοκρασία χρησιμοποιώντας την εξίσωση (4).

<center> ''' LST = K2/(ln((K1/R) + 1)), (4) ''' </center>

Τα K1 και K2 έχουν τις τιμές 607,76 και 1260,56 για TM και ETM+, και οι αντίστοιχες τιμές OLI είναι 772,88 και 1321,07. Τελικά, το LST μετατράπηκε σε Κελσίου (◦C) από Kelvin.

<center> ''' LST (◦C) = T (K) − 273,15, (5) ''' </center>

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ '''

''' 3.1. Παρακολούθηση ανωμαλιών υπόγειων υδάτων '''

Οι ανωμαλίες αποθήκευσης των υπόγειων υδάτων έχουν εξαχθεί από το GRACE με βάση τη συνολική αποθήκευση νερού και άλλες παραμέτρους από μοντέλα επιφάνειας γης GLDAS. Η περιοχή μελέτης της Λαχόρης έχει εξαντλήσει τους υπόγειους υδάτινους πόρους λόγω της υψηλής χρήσης υπόγειων υδάτων για τη γεωργία και της αστικοποίησης. Η μελέτη έλαβε τη χρονική διάρκεια από το 2003 έως το 2021. H συνολική αποθήκευση νερού στο μεγαλύτερο μέρος της περιοχής μελέτης αντιμετωπίζει συνεχείς φθίνουσες τάσεις. Οι χαμηλότερες τιμές αποθήκευσης υπόγειων υδάτων παρατηρούνται στην περίοδο πριν από τους μουσώνες ενώ έχει αυξηθεί σημαντικά τους μεταμουσώνες μήνες. Η διαρροή από επιφανειακά ύδατα και κανάλια είναι ένας παράγοντας που επηρεάζει την εισροή υπόγειων υδάτων και η μέση πτωτική τάση στην περιοχή είναι −1,2 cm ετησίως. Η Λαχόρη έχει υψηλό αριθμό υγρασίας εδάφους, που κυμαίνεται από -1,5 έως +2. Η υγρασία εδάφους είναι η πιο αποτελεσματική μεταβλητή για την παραγωγή σημάτων GRACE και το μέγεθος της έχει μειωθεί τα τελευταία χρόνια λόγω της αστικής επέκτασης στην περιοχή, η οποία είχε ως αποτέλεσμα τη μείωση του ρυθμού διείσδυσης, γεγονός που οδήγησε περαιτέρω σε μείωση της υγρασίας του εδάφους. Έχουν γίνει πολλές μελέτες για την αστική επέκταση της πόλης Λαχόρη, η οποία μετατράπηκε είτε από άγονη γη είτε από βλάστηση. Η Αποθήκευση νερού με θόλο κυμαίνεται από −0,004 έως +0,08 και εμφανίζει υψηλές τιμές στην αρχική περίοδο, οι οποίες μειώθηκαν τα τελευταία χρόνια, απεικονίζοντας μείωση της βλάστησης στην περιοχή μελέτης. Τα επιφανειακά ύδατα στην περιοχή μελέτης είναι λιγοστά. Οι βροχοπτώσεις έχουν υψηλές τιμές την εποχή των μουσώνων το 2013 και το 2014, συμβάλλοντας στην αύξηση των υπόγειων υδάτων στην περιοχή. Για την αποθήκευση υπόγειων υδάτων που βασίζεται στο GRACE, τα αποτελέσματα συσχετίζονται με τα δεδομένα των φρεατίων παρακολούθησης των υπόγειων υδάτων.

''' 3.2. Δυναμική αστικής επέκτασης και χαρτογράφηση κάλυψης γης '''

Η αναπτυξιακή ιστορία και ο σχεδιασμός χρήσης γης έχουν αναφερθεί σε αρκετές μελέτες για την πόλη της Λαχόρης αλλά αυτή η μελέτη ανέδειξε την επίδραση της αστικοποίησης στα υπόγεια ύδατα και την άνοδο της θερμοκρασίας τις τελευταίες δεκαετίες. Η αστική επέκταση είναι δύσκολο να προσδιοριστεί από μια σειρά χωρικών και χρονικών στοιχείων. Η σημαντική συμβολή στην αστική επέκταση στην πόλη της Λαχόρης είναι η μετανάστευση, η φυσική αύξηση και η συγχώνευση γειτονικών χωριών στην αστική περιοχή. Η απρογραμμάτιστη αστικοποίηση προκαλεί απρόβλεπτες μακροπρόθεσμες αλλαγές στο τοπίο της πόλης. Η διερεύνηση της υπάρχουσας οικολογικής κατάστασης της κάλυψης του εδάφους μιας περιοχής, ο εντοπισμός χωρικών και χρονικών αλλαγών είναι η πιο αποτελεσματική μέθοδος για την παρακολούθηση των διακυμάνσεων της γης. Η παρούσα μελέτη εξέτασε την αστική επέκταση από το 1990 έως το 2020 για να αξιολογήσει περαιτέρω τον αντίκτυπο της αστικοποίησης, μέσα από πολυφασματικές δορυφορικές εικόνες Landsat. Η ταχεία αύξηση του πληθυσμού των πόλεων και η αστική επέκταση είναι ο κύριος παράγοντας υψηλής εξόρυξης υπόγειων υδάτων. Η αστική επέκταση από το 1990 έως το 2020 έχει επηρεάσει σε μεγάλο βαθμό τη γεωργική περιοχή της Λαχόρης, καθώς η γεωργική περιοχή μετατρέπεται σε κατοικημένη περιοχή, η οποία επηρεάζει άμεσα και την άνοδο της θερμοκρασίας. Ο διαχωρισμός των χρήσεων γης περιλαμβάνει τρεις κατηγορίες: Άγονη γη, Γεωργική έκταση και Περιοχή χτισίματος. Η αστική επέκταση και άλλες υποδομές όπως η βιομηχανία ασκούν υψηλή πίεση στα υπόγεια ύδατα, καθώς επίσης, η αστική επέκταση επηρεάζει σημαντικά και τη βλάστηση. Kύρια αιτία αύξησης του αστικού πληθυσμού είναι η μετανάστευση από την ύπαιθρο προς την πόλη της Λαχόρη. 

''' 3.3. Αξιολόγηση της Χαρτογράφησης '''

Η άνοδος της θερμοκρασίας φαίνεται ξεκάθαρα στους χάρτες, κυρίως λόγω αστικοποίησης για τα έτη 1990, 2000, 2010 και 2020, με τη θερμοκρασία να κυμαίνεται από 15–41 ◦C, 17 44 ◦C, 21–45 ◦C και 23–47 ◦C, αντίστοιχα. Σε αυτή τη μελέτη, η πόλη της Λαχόρης είχε ελάχιστη θερμοκρασία 15 ◦C το 1990 και μέγιστη θερμοκρασία 47 ◦C το 2020. Ενώ η περιοχή είχε χαμηλή θερμοκρασία επιφάνειας λόγω της υψηλής βλάστησης που κάλυπτε την περιοχή μελέτης με την αστική επέκταση στην περιοχή, αυξήθηκε. Tο μεγαλύτερο μέρος της περιοχής πλέον είναι αστικοποιημένο και η περιοχή έχει πολύ υψηλή θερμοκρασία επιφάνειας με ελάχιστη περιοχή να καλύπτεται από βλάστηση. Οι πυκνοκατοικημένες εμπορικές, βιομηχανικές περιοχές έχουν υψηλότερες επιφανειακές θερμοκρασίες λόγω των αδιαπέραστων επιφανειών, καθώς οι τσιμεντένιες επιφάνειες απορροφούν και αποθηκεύουν θερμότητα κατά τη διάρκεια της ημέρας ενώ την απελευθερώνουν τη νύχτα.

''' 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Η μελέτη χρησιμοποίησε δεδομένα τηλεπισκόπησης για να βρει τη μείωση της αποθήκευσης των υπόγειων υδάτων και τη σύνδεσή της με την αστική επέκταση στη Λαχόρη. Η πόλη της Λαχόρης επεκτείνεται και η αστικοποίησή της καταναλώνει πολλούς φυσικούς πόρους στους οποίους η κύρια κατανάλωση είναι τα υπόγεια ύδατα. Στη Λαχόρη η αστική περιοχή αυξήθηκε από 659 km2 σε 1104 km2 και με τη συνολική αύξηση της αστικοποίησης αυξήθηκε και η θερμοκρασία της περιοχής. Η αύξηση της θερμοκρασίας δείχνει τις επιπτώσεις της αστικοποίησης καθώς και της κατανάλωσης των υπόγειων υδάτων. Η αύξηση της θερμοκρασίας μπορεί να οφείλεται στη μείωση της βλάστησης. 

[[category:Υδατικοί Πόροι]]

Επιπτώσεις της αστικοποίησης στα υπόγεια ύδατα και στις αλλαγές θερμοκρασίας στην επιφάνεια : Μια μελέτη της πόλης Λαχόρη

2024-02-16T07:27:11Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Impact of Urbanization on Groundwater and Surface Temperature Changes: A Case Study of Lahore City''

'''Συγγραφείς: ''' Huzaifah Zahran, Muhammad Zeeshan Ali, Khan Zaib Jadoon, Hammad Ullah Khan Yousafzai, Khalil Ur Rahman, Nadeem Ahmed Sheikh

'''Δημοσιεύθηκε: ''' ''Sustainability 2023, 15, 6864. https://doi.org/10.3390/su15086864''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Υδατικοί πόροι

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Μελέτη επιπτώσεων αστικοποίησης στα υπόγεια ύδατα και στις αλλαγές θερμοκρασίας '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_L_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Χάρτης τοποθεσίας της περιοχής μελέτης: (α) Χάρτης του Πακιστάν, (β) Χάρτης της επαρχίας Παντζάμπ με βάση τις περιφέρειες, (γ) Ειδικός χάρτης περιοχής μελέτης της Λαχόρης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Μεθοδολογία-Διάγραμμα ροής για την ερευνητική μελέτη, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' (α) Απεικονίζει παραλλαγές χρονοσειρών της συνολικής αποθήκευσης νερού (TWS), (β) Απεικονίζει την αποθήκευση υπόγειων υδάτων (GWS), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' Οι χρονικές διακυμάνσεις: (α) Υγρασία εδάφους, (β) Αποθήκευση νερού από θόλο (CWS), (γ) Επιφανειακό νερό (SW), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' Παραλλαγές χρονοσειρών GWS και Κατακρήμνισης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' Δείχνει τη συσχέτιση των δεδομένων σταθμών παρακολούθησης υπόγειων υδάτων με GWS που βασίζεται στο GRACE σε δύο διαφορετικές τοποθεσίες, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Χάρτες κάλυψης γης για δεκαετία: (α) Χάρτης κάλυψης γης του 1990, (β) Χάρτης κάλυψης γης του 2000, (γ) Χάρτης κάλυψης γης του 2010, (δ) Χάρτης κάλυψης γης του 2020, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Χρονική αλλαγή της αστικής/δομημένης περιοχής, της βλάστησης και της άγονης γης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Χάρτες θερμοκρασίας επιφάνειας γης για την περιοχή μελέτης: (α) Χάρτης του 1990, (β) Χάρτης του 2000, (γ) Χάρτης του 2010, (δ) Χάρτης του 2020, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

Με την αυξανόμενη ζήτηση για γλυκό νερό λόγω της πληθυσμιακής αύξησης και της αστικοποίησης, η πίεση στους παγκόσμιους υπόγειους υδάτινους πόρους έχει αυξηθεί τρομερά. Η κύρια πηγή παροχής νερού στην αστικοποιημένη περιοχή είναι κυρίως τα υπόγεια ύδατα που χρησιμοποιούν για οικιακή χρήση ή φρεάτια. Η υπερβολική εξάρτηση και η εξόρυξη των υπόγειων υδάτων συχνά οδηγούν στην εξάντληση της αποθήκευσης των υπόγειων υδάτων στην περιοχή. Σχεδόν το 50% του συνολικού παγκόσμιου πόσιμου νερού, το 40% του νερού χρησιμοποιείται σε άρδευση και σχεδόν το ένα τρίτο του νερού που απαιτείται από τη βιομηχανία χρησιμοποιείται από τους υπόγειους υδάτινους πόρους παγκοσμίως. Τα υπόγεια ύδατα αποτελούν μέρος του οικοσυστήματος που εμποδίζει την εισχώρηση θαλασσινού νερού και διατηρεί τη βασική ροή στα περισσότερα ποτάμια, η οποία αποτελεί μέρος του παγκόσμιου υδρολογικού κύκλου. Οι δορυφόροι Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) παρείχαν μια νέα προοπτική σχετικά με τις μεθόδους για την ακριβή παρακολούθηση των πηγών υπόγειων υδάτων του κόσμου, καθώς παρατηρεί τις αλλαγές στα πεδία βαρύτητας που προκύπτουν από τις διακυμάνσεις της μάζας στην επιφάνεια της γης, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διαμόρφωση της Συνολικής Αποθήκευσης Νερού (TWS). Το TWS είναι ένας συνδυασμός υγρασίας εδάφους (SM), αλλαγής αποθήκευσης υπόγειων υδάτων (GWSC) και εξαρτήματα μάζας που μεταβάλλουν τη βαρύτητα, όπως αποθήκευση επιφανειακών υδάτων, πάγος και χιόνι. Το GWSC μπορεί περαιτέρω να απομονωθεί από το TWS εκτιμώντας μεμονομένα εξαρτήματα, όπως αποθήκευση SM και επιφανειακών υδάτων, με τη βοήθεια Μοντέλων Επιφανειών Γης Global Land Data Assimilation System (GLDAS). Με τη βοήθεια των δορυφόρων GRACE, είναι εύκολο να παρακολουθούνται οι υπόγειοι υδάτινοι πόροι μεγάλων περιοχών με πολύ λιγότερες προσπάθειες, ωστόσο, είναι δύσκολο να αξιοποιήσει τα περιορισμένα δεδομένα απευθείας για αποφάσεις διαχείρισης. Η ανάλυση μπορεί να βελτιωθεί ενσωματώνοντας διάφορες προσεγγίσεις ισοζυγίου ενέργειας και μάζας μαζί με τοπικές μετρήσεις με τα δεδομένα GRACE για την εκτίμηση της αλλαγής στη συνολική αποθήκευση νερού, η οποία μπορεί να χρησιμοποιείται ως αναπαράσταση της μεταβολής της μάζας των υπόγειων υδάτων. Οι αλλαγές στη μάζα των υπόγειων υδάτων μπορούν περαιτέρω να συνδεθούν με σημαντικές αλλαγές στις χρήσεις γης και την κάλυψη γης (LULC) παγκοσμίως. Αυτές οι αλλαγές στο LULC μπορούν να συνδεθούν άμεσα με τη επίδραση φυσικών και ανθρωπογενών δραστηριοτήτων, οι οποίες επηρεάζουν σημαντικά το οικοσύστημα αυτών των λεκανών απορροής. Αυτές οι δραστηριότητες συνεπάγονται υψηλή αύξηση της αστικοποίησης, με αποτέλεσμα να υπάρχει επιζήμια επίδραση στους υπόγειους υδάτινους πόρους καθώς μειώνει σοβαρά την ικανότητα επαναφόρτισης της λεκάνης απορροής. Επομένως, είναι σημαντικό να συμπεριληφθούν οι επιπτώσεις του LULC στις πηγές υπόγειων υδάτων ενώ αναλύονται οι αλλαγές στην αποθήκευση των υπόγειων υδάτων οποιασδήποτε λεκάνης απορροής. Το ποσοστό της αδιαπέραστης περιοχής είναι υψηλότερο σε μια αστική περιοχή και, ως εκ τούτου, η θερμοκρασία της επιφάνειας είναι υψηλότερη από ό, τι σε μια περιοχή με βλάστηση. Αυτό συμβαίνει επειδή διαφορετικές επιφάνειες έχουν διαφορετική θερμική ικανότητα. Έτσι, όταν δέχονται παρόμοια ηλιακή ακτινοβολία, παρουσιάζουν διαφορετικές επιφανειακές θερμοκρασίες. Αυτές οι αλλαγές πρέπει να διερευνηθούν μέσω των πιο πρόσφατων διαθέσιμων τεχνικών, συμπεριλαμβανομένων των Συστημάτων Γεωγραφικών Πληροφοριών (GIS) και της τηλεπισκόπησης. Με το αυξανόμενο φορτίο στις παγκόσμιες πηγές υπόγειων υδάτων ως αποτέλεσμα της υψηλής ζήτησης γλυκού νερού λόγω της αυξανόμενης αστικοποίησης, υπάρχει τεράστια πίεση στους υπόγειους υδάτινους πόρους σε χώρες όπως το Πακιστάν. Πάνω από το 60% του νερού που καταναλώνεται για άρδευση και σχεδόν το 90% του πόσιμου νερού εξάγεται από τα υπόγεια ύδατα. Πάνω από 1 εκατομμύριο φρεάτια έχουν εγκατασταθεί και αντλούν υπόγεια ύδατα από την επαρχία Παντζάμπ, η οποία έχει οδηγήσει σε σοβαρή εξάντληση των υπόγειων υδάτινων πόρων. Οι παρατηρήσεις που καταγράφονται από τα φρεάτια παρακολούθησης είναι η κύρια πηγή πληροφοριών που χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση των συστημάτων υπόγειων υδάτων. Επιπλέον, η έλλειψη επαρκούς παρακολούθησης των φρεατίων σε περιοχές μεγάλης κλίμακας θέτει ένα ερωτηματικό στην αξιοπιστία και τη διαθεσιμότητα των δεδομένων που απαιτούνται από τους διαχειριστές των υπόγειων υδάτων, ωθώντας την ερευνητική κοινότητα να επιδιώξει νέες μεθόδους. Οι τεχνικές GIS και τηλεπισκόπησης έχουν αρχίσει να αποδεικνύονται για να καλύψουν αυτό το κενό. Αυτή η μελέτη επικεντρώθηκε κυρίως στην επίδραση της αλλαγής της κάλυψης του εδάφους στις αλλαγές των υπόγειων υδάτων και περαιτέρω αξιολόγηση των επιπτώσεων της εξάντλησης των υπόγειων υδάτων. 

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Περιοχή μελέτης '''

Η Λαχόρη είναι βιομηχανικός κόμβος και πρωτεύουσα της επαρχίας Παντζάμπ του Πακιστάν. Η συνολική ρύπανση στη Λαχόρη ήταν 6,3 εκατομμύρια το 1998 που αυξήθηκε σε 11,2 εκατομμύρια με ετήσια αύξηση 3% σύμφωνα με την πιο πρόσφατη απογραφή του 2017. Η περιοχή μελέτης βρίσκεται στην αριστερή όχθη του ποταμού Ράβι, με συνολική έκταση 1842 km2. Η γεωγραφική έκταση της Λαχώρης είναι 31◦130–31◦430 Β γεωγραφικό πλάτος και 74◦0 0–74◦39,50 Α γεωγραφικό μήκος. Από την άποψη του πληθυσμού, η Λαχόρη είναι η μεγαλούπολη της επαρχίας Παντζάμπ με περισσότερο από το 98% των ανθρώπων να ζουν σε αστικές περιοχές. Η Λαχόρη είναι γνωστή για την ιστορική της κουλτούρα, την υψηλή ακαδημαϊκή κοινότητα και την αλληλεπίδρασή της με τη γειτονική χώρα της Ινδίας. Η Λαχόρη έχει μια παλιά πολιτιστική κληρονομιά, η οποία προσελκύει το μεγαλύτερο μέρος του διεθνούς τουρισμού της περιοχής. Μετά τη συνθήκη του Ινδού για το νερό, η παροχή επιφανειακών υδάτων στο Παντζάμπ επηρεάστηκε σοβαρά και η Λαχόρη, που βρίσκεται στην όχθη του ποταμού Ράβι, ήταν μεταξύ των βασικών πόλεων που επλήγησαν. Η εισροή επιφανειακών υδάτων στη Λαχόρη μειώθηκε λόγω της μείωσης των εισροών από τον ποταμό Ράβι. Έτσι, για να ικανοποιηθεί η υψηλή ζήτηση νερού, το μεγαλύτερο μέρος του φορτίου μεταφέρθηκε στους υπόγειους υδάτινους πόρους της πόλης. Το 2014, υπολογίστηκε ότι η χρήση υπόγειων υδάτων στην πόλη ήταν περίπου 2,61 km3 ενώ η επαναφόρτιση ήταν μόνο 2,53 km3. Σχεδόν το 53% των υπόγειων υδάτων που εξορύσσονταν χρησιμοποιούνταν για οικιακούς σκοπούς, ενώ το υπόλοιπο 47% χρησιμοποιήθηκε για γεωργικούς, βιομηχανικούς και εμπορικούς σκοπούς. Η πόλη της Λαχόρης κατανέμεται σε εννέα διοικητικούς δήμους που διαχειρίζονται η διοίκηση τοπικής κλίμακας, δηλαδή, η δημοτική διοίκηση της πόλης και η περιοχή καντονιού του στρατού. Η χειμερινή περίοδος είναι από τον Νοέμβριο έως τον Μάρτιο και οι πιο κρύοι μήνες είναι ο Δεκέμβριος και ο Ιανουάριος με θερμοκρασία από 0 ◦C έως 3 ◦C. Τον Μάιο και τον Ιούνιο, με την υψηλότερη θερμοκρασία 48 ◦C, η μέση θερμοκρασία κατά τη διάρκεια της ημέρας στην περιοχή είναι από 40 ◦C έως 45 ◦C. Κατά τη διάρκεια της εποχής των μουσώνων, η Λαχόρη δέχεται υψηλές βροχοπτώσεις περίπου 600 mm τον Ιούλιο και τον Αύγουστο.

''' 2.2. Σύνολα δεδομένων '''

''' 2.2.1. Δεδομένα GRACE '''

Τα GRACE και GRACE-Follow On (GRACE-FO) είχαν ως στόχο τη μελέτη του παγκόσμιου κλίματος και της βαρύτητας της γης. Προηγούμενες μελέτες χρησιμοποιούσαν και τις δύο παρατηρήσεις, τα συνέκρινε με τα επί τόπου δεδομένα εδάφους και διαπίστωσε ότι οι προσεγγίσεις Mascon (MSC) συσχετίζονται περισσότερο με την παρακολούθηση των υπόγειων υδάτων. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήσαμε μηνιαία παγκόσμια δεδομένα MSC από το κέντρο επεξεργασίας δεδομένων του Κέντρου Διαστημικής Έρευνας. Το Mascon έχει χωρική ανάλυση 3 μοιρών τόξου σε όλη την επιφάνεια της γης, όμως αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε τα δεδομένα των 0,5 μοιρών με το φίλτρο βελτίωσης ανάλυσης ακτών. Τα δεδομένα έχουν εξαχθεί για την περιοχή μελέτης από παγκόσμια προϊόντα για την εύρεση της χερσαίας αποθήκευσης νερού από το 2003 έως το 2021.

''' 2.2.2. Στοιχεία GLDAS '''

Το Παγκόσμιο Σύστημα Αφομοίωσης Δεδομένων Γης (GLDAS) αναφέρεται στην επίγεια μοντελοποίηση που ενσωματώνει προϊόντα δορυφορικών δεδομένων και επίγειες παρατηρήσεις. Το GLDAS χρησιμοποιεί τέσσερα είδη μοντέλων επιφανειών γης, συγκεκριμένα το Mosaic, Noah, Variable Infiltration Capacity και Community Land Model. Αυτή η μελέτη χρησιμοποιεί τα δεδομένα που προέρχονται από το Noah με χωρική ανάλυση 0,25◦ × 0,25◦. Η αποθήκευση νερού στο θόλο, η υγρασία του εδάφους και το ισοδύναμο νερού χιονιού εξάγεται από το Noah από τον Ιανουάριο του 2003 έως τον Δεκέμβριο του 2021.

''' 2.2.3. Δεδομένα TRMM '''

Η αποστολή μέτρησης τροπικών βροχοπτώσεων (TRMM) είναι μια κοινή δορυφορική αποστολή της Ιαπωνικής Υπηρεσίας Αεροδιαστημικής Εξερεύνησης και της Εθνικής Υπηρεσίας Αεροναυπηγικής και Διαστήματος για να βρει τη βροχόπτωση για κλιματική έρευνα. Το προϊόν είναι διαθέσιμο σε παγκόσμια κλίμακα από 50◦ Β έως 50◦ Ν. Τα μηνιαία δεδομένα με χωρική ανάλυση 0,25◦ × 0,25◦ χρησιμοποιήθηκαν για αυτή η μελέτη.

''' 2.2.4. Δεδομένα Landsat '''

Για τη χαρτογράφηση εδαφών, η ανάλυση περιλαμβάνει εικόνες από το 1990, το 2000, το 2010 και το 2020. Τα δεδομένα λαμβάνονται από το Landsat 5 και το Landsat 8 με χωρική ανάλυση 30 m. 

''' 2.3. Μεθοδολογία '''

''' 2.3.1. GRACE Επεξεργασία '''

Οι μηνιαίες λύσεις GRACE Mascon μας δίνουν συνολική αποθήκευση νερού με μια
μέση τιμή 300 × 300 km.Τα δεδομένα αλλάζουν μέγεθος σε διαφορετικές αναλύσεις pixel, δηλαδή 1◦ και 0,5◦ μοίρες. Μέχρι τώρα, η υψηλότερη ανάλυση είναι 0,5 μοίρες. Σε αυτή την μελέτη, τα δεδομένα συνολικής αποθήκευσης νερού χρησιμοποιήθηκαν από το 2003 έως το 2021. Τα δεδομένα που βασίζονται στο GRACE είναι ένα παγκόσμιο προϊόν, επομένως τα δεδομένα της περιοχής μελέτης εξήχθησαν από ένα παγκόσμιο προϊόν. Τα δεδομένα GLDAS είναι διαθέσιμα στις 0,25 μοίρες, έτσι ώστε η διάσταση να είναι συνεπής και το μέγεθος των δεδομένων GRACE άλλαξε περαιτέρω σε 0,25 από 0,5 μοίρες. Η εξίσωση (1) δείχνει τον συνδυασμό των υπόγειων υδάτων και άλλων μεταβλητών στη συνολική αποθήκευση χερσαίων υδάτων. 

<center> ''' ΔTWS = (ΔGW) + (ΔSWE) + (ΔSM) + (ΔCWS), (1) ''' </center>

''' 2.3.2. Times Series Analysis of GRACE-Based GWS '''

Το GLDAS χρησιμοποιεί μοντέλα επιφάνειας γης για να βρει τη διαφορετική μεταβλητή ποσότητα αποθηκευμένου νερού. Τα δεδομένα GLDAS μετατρέπονται σε εκατοστά για να συνάδουν με τα δεδομένα GRACE. Επιπλέον, η χωρική ανάλυση είναι 0,25 × 0,25 μοίρες και η εξίσωση (2) χρησιμοποιείται για την εξαγωγή ανωμαλιών υπόγειων υδάτων. 

<center> ''' ΔGW = (ΔTWS) + ((ΔSWE) + (ΔSM) + (ΔCWS)), (2) ''' </center>

''' 2.3.3. Χαρτογράφηση κάλυψης γης '''

Διαφορετικοί ερευνητές χρησιμοποιούν πολλαπλούς ταξινομητές για ταξινομήσεις κάλυψης γης. Οι εικόνες υποβλήθηκαν σε προεπεξεργασία πριν από περαιτέρω ανάλυση. Ο ταξινομητής μέγιστης πιθανότητας λειτουργεί σε πολυμεταβλητές συναρτήσεις πυκνότητας πιθανότητας κλάσεων για κάθε εικονοστοιχείο. Το εικονοστοιχείο εκχωρείται στη συγκεκριμένη κατηγορία με μέγιστη πιθανότητα φασματικής ανάκλασης στην καθορισμένη τάξη εκπαίδευσης. Η περιοχή μελέτης χωρίζεται σε τέσσερις κύριες κατηγορίες: οικισμό, βλάστηση, άγονη γη και νερό. Συλλέχθηκαν δείγματα εκπαίδευσης για αυτές τις καθορισμένες τάξεις από τις οπτικές εικόνες Landsat-8 με την υποστήριξη πληροφοριών που είναι διαθέσιμες στο Google Earth. Συλλέχθηκαν δεκαέξι σετ δειγμάτων εκπαίδευσης για κάθε κατηγορία κάλυψης γης με εργαλεία ανάπτυξης περιοχής, όπως ο συνολικός αριθμός δειγμάτων εκπαίδευσης για δεδομένα Landsat-8. Με βάση τα συνολικά δείγματα εκπαίδευσης, 70% δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν για το μοντέλο και 30% χρησιμοποιήθηκαν για τη δοκιμή των αποτελεσμάτων του μοντέλου. Η συνολική ακρίβεια έχει αξιολογηθεί με βάση τα δεδομένα δοκιμών. 

''' 2.3.4. Θερμοκρασία επιφάνειας γης '''

Η συλλογική θερμοκρασία των ανέπαφων αντικειμένων στην επιφάνεια της γης είναι γνωστή ως θερμοκρασία της επιφάνειας της γης. Σε όλο τον κόσμο, οι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει πολλαπλές μετρήσεις στη θερμική υπέρυθρη ζώνη. Οι τιμές ελήφθησαν από τα TM, TM+ και OLI σύμφωνα με τη θερμική υπέρυθρη ζώνη με αθροιστική χωρική ανάλυση 30 m, αντίστοιχα. Η τιμή του ψηφιακού αριθμού (DN) κάθε εικονοστοιχείου μετατρέπεται σε φασματική ακτινοβολία χρησιμοποιώντας την εξίσωση (3). 

<center> ''' R = ((LMAX − LMIN)/255) × DN + LMIN, (3) ''' </center>

όπου, R είναι η φασματική ακτινοβολία, LMAX είναι 15.600 (φασματική ακτινοβολία του υψηλότερου DN), και το LMIN είναι 1,238 (φασματική ακτινοβολία του DN που έχει αντίστοιχη τιμή 1). Το DN είναι η ψηφιακή τιμή αυτού του συγκεκριμένου pixel. Το επόμενο βήμα είναι η μετατροπή σε θερμοκρασία χρησιμοποιώντας την εξίσωση (4).

<center> ''' LST = K2/(ln((K1/R) + 1)), (4) ''' </center>

Τα K1 και K2 έχουν τις τιμές 607,76 και 1260,56 για TM και ETM+, και οι αντίστοιχες τιμές OLI είναι 772,88 και 1321,07. Τελικά, το LST μετατράπηκε σε Κελσίου (◦C) από Kelvin.

<center> ''' LST (◦C) = T (K) − 273,15, (5) ''' </center>

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ '''

''' 3.1. Παρακολούθηση ανωμαλιών υπόγειων υδάτων '''

Οι ανωμαλίες αποθήκευσης των υπόγειων υδάτων έχουν εξαχθεί από το GRACE με βάση τη συνολική αποθήκευση νερού και άλλες παραμέτρους από μοντέλα επιφάνειας γης GLDAS. Η περιοχή μελέτης της Λαχόρης έχει εξαντλήσει τους υπόγειους υδάτινους πόρους λόγω της υψηλής χρήσης υπόγειων υδάτων για τη γεωργία και της αστικοποίησης. Η μελέτη έλαβε τη χρονική διάρκεια από το 2003 έως το 2021. H συνολική αποθήκευση νερού στο μεγαλύτερο μέρος της περιοχής μελέτης αντιμετωπίζει συνεχείς φθίνουσες τάσεις. Οι χαμηλότερες τιμές αποθήκευσης υπόγειων υδάτων παρατηρούνται στην περίοδο πριν από τους μουσώνες ενώ έχει αυξηθεί σημαντικά τους μεταμουσώνες μήνες. Η διαρροή από επιφανειακά ύδατα και κανάλια είναι ένας παράγοντας που επηρεάζει την εισροή υπόγειων υδάτων και η μέση πτωτική τάση στην περιοχή είναι −1,2 cm ετησίως. Η Λαχόρη έχει υψηλό αριθμό υγρασίας εδάφους, που κυμαίνεται από -1,5 έως +2. Η υγρασία εδάφους είναι η πιο αποτελεσματική μεταβλητή για την παραγωγή σημάτων GRACE και το μέγεθος της έχει μειωθεί τα τελευταία χρόνια λόγω της αστικής επέκτασης στην περιοχή, η οποία είχε ως αποτέλεσμα τη μείωση του ρυθμού διείσδυσης, γεγονός που οδήγησε περαιτέρω σε μείωση της υγρασίας του εδάφους. Έχουν γίνει πολλές μελέτες για την αστική επέκταση της πόλης Λαχόρη, η οποία μετατράπηκε είτε από άγονη γη είτε από βλάστηση. Η Αποθήκευση νερού με θόλο κυμαίνεται από −0,004 έως +0,08 και εμφανίζει υψηλές τιμές στην αρχική περίοδο, οι οποίες μειώθηκαν τα τελευταία χρόνια, απεικονίζοντας μείωση της βλάστησης στην περιοχή μελέτης. Τα επιφανειακά ύδατα στην περιοχή μελέτης είναι λιγοστά. Οι βροχοπτώσεις έχουν υψηλές τιμές την εποχή των μουσώνων το 2013 και το 2014, συμβάλλοντας στην αύξηση των υπόγειων υδάτων στην περιοχή. Για την αποθήκευση υπόγειων υδάτων που βασίζεται στο GRACE, τα αποτελέσματα συσχετίζονται με τα δεδομένα των φρεατίων παρακολούθησης των υπόγειων υδάτων.

''' 3.2. Δυναμική αστικής επέκτασης και χαρτογράφηση κάλυψης γης '''

Η αναπτυξιακή ιστορία και ο σχεδιασμός χρήσης γης έχουν αναφερθεί σε αρκετές μελέτες για την πόλη της Λαχόρης αλλά αυτή η μελέτη ανέδειξε την επίδραση της αστικοποίησης στα υπόγεια ύδατα και την άνοδο της θερμοκρασίας τις τελευταίες δεκαετίες. Η αστική επέκταση είναι δύσκολο να προσδιοριστεί από μια σειρά χωρικών και χρονικών στοιχείων. Η σημαντική συμβολή στην αστική επέκταση στην πόλη της Λαχόρης είναι η μετανάστευση, η φυσική αύξηση και η συγχώνευση γειτονικών χωριών στην αστική περιοχή. Η απρογραμμάτιστη αστικοποίηση προκαλεί απρόβλεπτες μακροπρόθεσμες αλλαγές στο τοπίο της πόλης. Η διερεύνηση της υπάρχουσας οικολογικής κατάστασης της κάλυψης του εδάφους μιας περιοχής, ο εντοπισμός χωρικών και χρονικών αλλαγών είναι η πιο αποτελεσματική μέθοδος για την παρακολούθηση των διακυμάνσεων της γης. Η παρούσα μελέτη εξέτασε την αστική επέκταση από το 1990 έως το 2020 για να αξιολογήσει περαιτέρω τον αντίκτυπο της αστικοποίησης, μέσα από πολυφασματικές δορυφορικές εικόνες Landsat. Η ταχεία αύξηση του πληθυσμού των πόλεων και η αστική επέκταση είναι ο κύριος παράγοντας υψηλής εξόρυξης υπόγειων υδάτων. Η αστική επέκταση από το 1990 έως το 2020 έχει επηρεάσει σε μεγάλο βαθμό τη γεωργική περιοχή της Λαχόρης, καθώς η γεωργική περιοχή μετατρέπεται σε κατοικημένη περιοχή, η οποία επηρεάζει άμεσα και την άνοδο της θερμοκρασίας. Ο διαχωρισμός των χρήσεων γης περιλαμβάνει τρεις κατηγορίες: Άγονη γη, Γεωργική έκταση και Περιοχή χτισίματος. Η αστική επέκταση και άλλες υποδομές όπως η βιομηχανία ασκούν υψηλή πίεση στα υπόγεια ύδατα, καθώς επίσης, η αστική επέκταση επηρεάζει σημαντικά και τη βλάστηση. Kύρια αιτία αύξησης του αστικού πληθυσμού είναι η μετανάστευση από την ύπαιθρο προς την πόλη της Λαχόρη. 

''' 3.3. Αξιολόγηση της Χαρτογράφησης '''

Η άνοδος της θερμοκρασίας φαίνεται ξεκάθαρα στους χάρτες, κυρίως λόγω αστικοποίησης για τα έτη 1990, 2000, 2010 και 2020, με τη θερμοκρασία να κυμαίνεται από 15–41 ◦C, 17 44 ◦C, 21–45 ◦C και 23–47 ◦C, αντίστοιχα. Σε αυτή τη μελέτη, η πόλη της Λαχόρης είχε ελάχιστη θερμοκρασία 15 ◦C το 1990 και μέγιστη θερμοκρασία 47 ◦C το 2020. Ενώ η περιοχή είχε χαμηλή θερμοκρασία επιφάνειας λόγω της υψηλής βλάστησης που κάλυπτε την περιοχή μελέτης με την αστική επέκταση στην περιοχή, αυξήθηκε. Tο μεγαλύτερο μέρος της περιοχής πλέον είναι αστικοποιημένο και η περιοχή έχει πολύ υψηλή θερμοκρασία επιφάνειας με ελάχιστη περιοχή να καλύπτεται από βλάστηση. Οι πυκνοκατοικημένες εμπορικές, βιομηχανικές περιοχές έχουν υψηλότερες επιφανειακές θερμοκρασίες λόγω των αδιαπέραστων επιφανειών, καθώς οι τσιμεντένιες επιφάνειες απορροφούν και αποθηκεύουν θερμότητα κατά τη διάρκεια της ημέρας ενώ την απελευθερώνουν τη νύχτα.

''' 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Η μελέτη χρησιμοποίησε δεδομένα τηλεπισκόπησης για να βρει τη μείωση της αποθήκευσης των υπόγειων υδάτων και τη σύνδεσή της με την αστική επέκταση στη Λαχόρη. Η πόλη της Λαχόρης επεκτείνεται και η αστικοποίησή της καταναλώνει πολλούς φυσικούς πόρους στους οποίους η κύρια κατανάλωση είναι τα υπόγεια ύδατα. Στη Λαχόρη η αστική περιοχή αυξήθηκε από 659 km2 σε 1104 km2 και με τη συνολική αύξηση της αστικοποίησης αυξήθηκε και η θερμοκρασία της περιοχής. Η αύξηση της θερμοκρασίας δείχνει τις επιπτώσεις της αστικοποίησης καθώς και της κατανάλωσης των υπόγειων υδάτων. Η αύξηση της θερμοκρασίας μπορεί να οφείλεται στη μείωση της βλάστησης. 

[[category:Υδατικοί Πόροι]]

Νέα τεχνική για την παρακολούθηση γεωργικών εκτάσεων υψηλής φυσικής αξίας στη Βασιλικάτα

2024-02-16T06:45:17Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''New Technique for Monitoring High Nature Value Farmland (HNVF) in Basilicata''

'''Συγγραφείς: ''' Costanza Fiorentino, Paola D’Antonio, Francesco Toscano, Angelo Donvito and Felice Modugno

'''Δημοσιεύθηκε: ''' ''Sustainability 2023, 15, 8377. https://doi.org/10.3390/su15108377 ''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Γεωργία

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Παρακολούθηση γεωργικών εκτάσεων υψηλής φυσικής αξίας στην περιοχή της Βασιλικάτα '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_b_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Σχέδιο των τριών τύπων περιοχών HNVF και πώς μπορούν να εντοπιστούν λειτουργικά εντός γεωργικών περιοχών, Ελλάδα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15108377] '']]

[[Αρχείο:Foufa_b_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Γεωγραφική θέση της περιοχής Βασιλικάτα στη νότια Ιταλία, Ελλάδα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15108377] '']]

[[Αρχείο:Foufa_b_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' Μηνιαίοι χάρτες δεικτών SMI Μαΐου (α), Ιουνίου (β), Ιουλίου (γ), Αυγούστου (δ) και Σεπτεμβρίου (ε) 2012, Ελλάδα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15108377] '']]

[[Αρχείο:Foufa_b_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' α) Χάρτης του δείκτη μεταβλητότητας καλλιεργειών (CD), β) Χάρτης εκτεταμένων πρακτικών (EP), γ) Χάρτης παρουσίας δείκτη φυσικού στοιχείου (Ne), Ελλάδα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15108377] '']]

[[Αρχείο:Foufa_b_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' Χάρτης του δείκτη HNVF που λαμβάνεται ως το σταθμισμένο άθροισμα των τριών υποδεικτών CD, EP και Ne. Ο δείκτης κυμαίνεται μεταξύ 0 και 30, Ελλάδα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15108377] '']]

[[Αρχείο:Foufa_b_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' HNVF Χάρτης των δήμων στην περιοχή Βασιλικάτα. Το σχήμα (α) δείχνει τον χάρτη που σχετίζεται με μια τιμή ίση με το 30ο εκατοστημόριο, ενώ το σχήμα (β) δείχνει τον χάρτη που σχετίζεται με μια τιμή ίση με το 15ο εκατοστημόριο, Ελλάδα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15108377] '']]

[[Αρχείο:Foufa_b_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Χάρτης του δείκτη φυσικής αξίας στην περιοχή Βασιλικάτα (ISPRA 2017), Ελλάδα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15108377] '']]

[[Αρχείο:Foufa_b_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Χάρτες περιοχών HNVF στην περιοχή Βασιλικάτα που δημοσιεύθηκαν το 2014, Ελλάδα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15108377] '']]

Γεωργικές περιοχές με υψηλή φυσιοκρατική αξία είναι εκείνες οι περιοχές που χαρακτηρίζονται από καλό επίπεδο ποικιλομορφίας καλλιεργειών, όπου τα μηχανήματα και οι εισροές όπως λιπάσματα και φυτοφάρμακα μειώνονται, ημιφυσικές περιοχές με εκτεταμένη γεωργία και η παρουσία φρακτών, σειρών δέντρων και περιοχών αυθόρμητης βλάστησης. Οι περιοχές HNVF συμβάλλουν σημαντικά στη διατήρηση υψηλού βαθμού βιοποικιλότητας. Μελέτες εντόπισαν πιθανές περιοχές HVNF σε ευρωπαϊκή κλίμακα συνδυάζοντας τις χαρτογραφικές πληροφορίες του Corine Land Cover με τις στατιστικές οικονομικές πληροφορίες του Farm Accountancy Data Network. Από τις πρώτες μελέτες, έχουν οριστεί τρεις τύποι περιοχών HNVF:

Τύπος 1: Αγροτική γη με υψηλή κάλυψη ημιφυσικής βλάστησης, τύπος 2: Γεωργική γη που κυριαρχείται από γεωργία χαμηλής έντασης ή από ένα μωσαϊκό ημιφυσικών και καλλιεργούμενων περιοχών, τύπος 3: Γεωργική γη με σπάνια είδη ή υψηλή αναλογία ζωικών και/ή φυτικών ειδών με ενδιαφέρον διατήρησης.

Το HNVF απέκτησε ιδιαίτερη σημασία το 2005 όταν υιοθετήθηκε ως δείκτης από το Κοινό Πλαίσιο Παρακολούθησης και Αξιολόγησης των Προγραμμάτων Αγροτικής Ανάπτυξης. Παρόλο που η Ευρωπαϊκή Επιτροπή δεν παρείχε λεπτομερή και αυστηρή μεθοδολογία για τον προσδιορισμό του HNVF, υπέδειξε γενικές οδηγίες, αφήνοντας τη δυνατότητα προσαρμογής των μεθοδολογιών στις διάφορες γεωγραφικές περιοχές και στα διαθέσιμα δεδομένα.

Το European Evaluation Helpdesk for Rural Development δημοσίευσε μια μεθοδολογία για την παρακολούθηση των περιοχών HNVF:

1. Αναπτύχθηκε και αποθηκεύτηκε σε έργο GIS με χρήση γεωαναφορικών δεδομένων και χαρτών, 2. Με βάση ολοκληρωμένες μεθόδους για την κάλυψη γης και την ένταση καλλιέργειας/αναπαραγωγής, λαμβάνοντας υπόψη τα στοιχεία που διατηρούν την κατανομή των ειδών,

3. Δυναμική-για την παρακολούθηση της χωροχρονικής διακύμανσης των περιοχών HNVF,

4. Δυνατότητα καταγραφής και αναφοράς αύξησης ή μείωσης των δεικτών HNVF και, επομένως, του επιπέδου βιοποικιλότητας μιας συγκεκριμένης περιοχής.

Η μεταρρύθμιση της Κοινής Αγροτικής Πολιτικής (ΚΑΠ) του 2020 επιβεβαιώνει την προσοχή που έχει δοθεί στην περιβαλλοντική βιωσιμότητα, τη βιοποικιλότητα και υπογραμμίζει ένα δίκαιο εισόδημα για τους αγρότες. Οι κύριες αλλαγές της ΚΑΠ μετά το 2020 αφορούν τους τρόπους με τους οποίους τα κράτη μέλη θα καθορίσουν πώς να επιτύχουν στόχους, συμπεριλαμβανομένων εκείνων για ημιφυσικές και γεωργικές περιοχές που μειώνονται ή κινδυνεύουν να μειωθούν. Η νέα μεταρρύθμιση της ΚΑΠ για την περίοδο 2023–2027 θα απαιτήσει από τις χώρες να αναπτύξουν εθνικά στρατηγικά σχέδια για την προώθηση της περιβαλλοντικής και κοινωνικής βιωσιμότητας των γεωργικών συστημάτων. Το σχέδιο αυτό θα υποδεικνύει στις αρμόδιες αρχές τις συγκεκριμένες ενέργειες που πρέπει να υλοποιηθούν και θα προσδιορίζει τα κονδύλια που διατέθηκαν. Οι εκθέσεις εργαστηρίων και ομάδων επιστημονικών εμπειρογνωμόνων από ευρωπαϊκές χώρες τόνισαν την επείγουσα ανάγκη: αύξηση των προστατευόμενων περιοχών, αύξηση της χρηματοδότησης για τον μετριασμό των αρνητικών επιπτώσεων της γεωργίας στη βιοποικιλότητα και το κλίμα, αύξηση κονδυλίων που χρηματοδοτούν περιβαλλοντικούς και κοινωνικοοικονομικούς στόχους.

Η νέα ΚΑΠ στοχεύει στην προώθηση ενός βιώσιμου και ανταγωνιστικού γεωργικού τομέα που μπορεί να υποστηρίξει τα προς το ζην των αγροτών και να παρέχει υγιεινά και βιώσιμα τρόφιμα για την κοινωνία. Η γεωργία και οι αγροτικές περιοχές έχουν κεντρική θέση στην Ευρωπαϊκή Πράσινη Συμφωνία και η νέα ΚΑΠ θα αποτελέσει βασικό εργαλείο για την επίτευξη της βιοποικιλότητας. Οι δράσεις θα πρέπει να σχεδιάζονται τόσο σε εδαφικό επίπεδο όσο και σε επίπεδο αγροκτημάτων, να στοχεύουν στη διατήρηση και την προώθηση της βιοποικιλότητας σε σχέση με τις γεωργικές πρακτικές, να βασίζονται στη διατήρηση των γεωργικών περιοχών που έχουν φυσικά στοιχεία που υποστηρίζουν τη βιοποικιλότητα, όπως αγροδασοκομικές περιοχές, ρυάκια ή λιμνούλες που μπορούν να φιλοξενήσουν προστατευόμενα είδη. Άλλα σημαντικά στοιχεία αφορούν τη γεωπονική διαχείριση ξεκινώντας από τη διαχείριση του περιθωρίου του αγρού, την προσαρμογή των διαστάσεων του αγρού για να καταλήξουμε στη διαχείριση των υδάτινων πόρων, των λιπασμάτων και στη χρήση αγροχημικών προϊόντων για τον έλεγχο των ζιζανίων και την πρόληψη ασθενειών. Η διαχείριση όλων αυτών των στοιχείων είναι αρκετά περίπλοκη και οι πιθανές λύσεις διαφέρουν μεταξύ γεωργικών συστημάτων και εντός γεωργικών συστημάτων ανάλογα με τη γεωγραφική θέση. Για τη διατήρηση της βιοποικιλότητας, σημαντικό ρόλο έχουν, η διαχείριση της αγρανάπαυσης σε αρόσιμες εκτάσεις, η διατήρηση της κάλυψης χλοοτάπητα σε ξυλώδεις και μικτές καλλιέργειες, ο έλεγχος των πλημμυρών σε ορυζώνες και η διαχείριση των ποσοστών εκτροφής στους βοσκότοπους, ιδιαίτερα στους εκτεταμένους. Η μείωση της χρήσης φυτοφαρμάκων βελτίωσαν τη διαθεσιμότητα τροφής και την ποικιλομορφία των πτηνών των καλλιεργήσιμων εκτάσεων, ενώ η καθυστέρηση της συγκομιδής προσφέρει τροφή και καταφύγιο βελτιώνοντας την αφθονία των πτηνών.Οι διαδικασίες υπολογισμού HNVF μπορούν να παρέχουν πληροφορίες σχετικά με την πρωτογενή παραγωγή, τον κύκλο των θρεπτικών ουσιών, τον σχηματισμό του εδάφους, κ.λπ. Αυτοί οι δείκτες τροφοδοτούν ένα ευρύ φάσμα υπηρεσιών οικοσυστήματος. Η γεωργική γη HNVF έχει θετικό αντίκτυπο στην κλιματική αλλαγή, στην πρόληψη της διάβρωσης του εδάφους και στον βιολογικό έλεγχο. Τα εδάφη HNVF περιέχουν υψηλότερα επίπεδα οργανικού άνθρακα, συμβάλοντας στη ρύθμιση του κλίματος, στη διατήρηση της γονιμότητας του εδάφους και στην πρόληψη της διάβρωσης, της ερημοποίησης και της αλάτωσης του εδάφους. Η προμήθεια γεωργικών προϊόντων υψηλής ποιότητας και υψηλής οικονομικής αξίας συνδέεται με τη γεωργική γη HNVF κι αυτά τα προϊόντα συχνά επισημαίνονται ως αναγνωρισμένα υψηλής ποιότητας. Επομένως, η διατήρηση των περιοχών HNVF επηρεάζει έμμεσα την ποιότητα της παραγωγής τροφίμων και ζωοτροφών, την παροχή νερού και υπηρεσίες, όπως ψυχαγωγικές δραστηριότητες, αγροτουρισμός και διατήρηση της πολιτιστικής κληρονομιάς. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι ο καθορισμός διαδικασιών GIS με βάση την επεξεργασία συγκεκριμένων δεικτών για την επεξεργασία του χάρτη HNVF χρησιμοποιώντας δεδομένα που είναι διαθέσιμα στο αποθετήριο πληροφοριών της βάσης δεδομένων της δημόσιας αρχής. Η προτεινόμενη μεθοδολογία έχει το πλεονέκτημα της χρήσης δωρεάν δεδομένων εισόδου (π.χ. χάρτες Corine Land Cover, εικόνες τηλεπισκόπησης κ.λπ.) και είναι προσαρμόσιμη σε διαφορετικές χωρικές αναλύσεις.

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Η περιοχή μελέτης '''

Η περιοχή μελέτης είναι ολόκληρη η περιοχή της Βασιλικάτα, η οποία χαρακτηρίζεται από αγροτική κυρίως οικονομία και κυμαίνεται μεταξύ πολύ διαφορετικών οικοσυστημάτων: το νοτιοδυτικό τμήμα είναι πλούσιο σε δάση και φυσικές περιοχές, η παράκτια λωρίδα έχει αμπελώνες, περιβόλια και κηπευτικές καλλιέργειες, στις εσωτερικές περιοχές επικτατεί η καλλιέργεια σιταριού και στο βορειοανατολικό τμήμα υπάρχουν πολλές βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Τα δεδομένα εισόδου που χρησιμοποιήθηκαν για την επεξεργασία του χάρτη των περιοχών HNVF χωρίστηκαν σε τρεις ομάδες και ανέβηκαν σε ένα έργο GIS (QGIS):

1. Διαμόρφωση και δομή τοπίου: Το DEM/DTM υπολογίζεται από εικόνες τηλεπισκόπησης SAR, χρησιμοποιήθηκαν τοπογραφικοί χάρτες και χάρτης παράκτιων περιοχών που καλύπτονται από βλάστηση, 2. Χρήση γης: Corine Land Cover χάρτης, δορυφορικές εικόνες Modis, ορθοφωτογραφία 2012, χάρτης προστατευόμενων περιοχών: Εθνικά και Περιφερειακά Πάρκα, χάρτης βιολογικών καλλιεργειών, χάρτης ζωνών που χωρίζει την περιοχή της Βασιλικάτα σε 3 ομοιογενείς περιοχές κι αυτό παρέχει πληροφορίες για το βαθμό εξειδίκευσης της γεωργίας και έμμεσα παρέχει πληροφορίες για την ένταση των εξωτερικών εισροών,

3. Στατιστικά στοιχεία: στοιχεία από την 6η αγροτική απογραφή, δίκτυο λογιστικών δεδομένων FDAN Farm, δίκτυο οικονομικών δεικτών RICA (Ιταλικό CREA).

''' 2.2. Μεθοδολογία '''

Η μεθοδολογία βασίζεται στην προσέγγιση στατιστικών και γεωργικών συστημάτων κι έγκειται στη χρήση δορυφορικών εικόνων MODIS: να βελτιωθεί ο αριθμός και η ακρίβεια των τάξεων κάλυψης γης του χάρτη Corine Land Cover, να υπολογιστούν δείκτες που στοχεύουν στην παρακολούθηση των ιδιοτήτων του εδάφους και της βλάστησης.

Τρεις ανεξάρτητοι δείκτες συμβάλλουν στον χαρακτηρισμό της περιοχής HNVF: Μεταβλητότητα καλλιεργειών (CD), εκτεταμένες πρακτικές (EP), παρουσία φυσικών στοιχείων (Ne).

Τα κύρια χαρακτηριστικά μιας περιοχής υψηλής αξίας και το κριτήριο για τον καθορισμό του εάν ένας δήμος μπορεί να ταξινομηθεί ως περιοχή HNVF συνοψίζονται:

<center> ''' Index HNVF = (CD+EP+Ne) >Threshold, ''' </center>

Το αποδεκτό ελάχιστο όριο για να χαρακτηριστεί μια περιοχή ως γεωργική γη HNVF θα πρέπει να κυμαίνεται μεταξύ του 30ου και του 15ου εκατοστημόριου των καλύτερων βαθμολογιών του δήμου. Οι τρεις δείκτες (CD, EP και Ne) έλαβαν ίση βαρύτητα στον υπολογισμό του δείκτη HNVF και κανονικοποιήθηκαν ώστε να κυμαίνονται μεταξύ 0 και 10 προκειμένου να υπολογιστεί μια τελική βαθμολογία και να σχεδιαστούν χάρτες έτσι ώστε ο συνολικός δείκτης HNVF να κυμαίνεται μεταξύ 0 και 30. Η χρησιμοποιούμενη γεωργική περιοχή υπολογίζεται εξαιρουμένων των ανθρωπογενών περιοχών, των υδάτινων εκτάσεων και των παράκτιων περιοχών αμμόλοφων που καλύπτονται από βλάστηση. Η μελέτη περιλαμβάνει και τους 131 δήμους της περιοχής Βασιλικάτα.

Οι εικόνες τηλεπισκόπησης MODIS είναι διαθέσιμες στον ιστότοπο Earthdata. Από τον ιστότοπο, είναι δυνατή η λήψη μιας σειράς θεματικών χαρτών (π.χ. κάλυψη γης, δείκτες βλάστησης, θερμοκρασία επιφάνειας γης κ.λπ.) που προέρχονται από πολυφασματικές εικόνες MODIS. Σε αυτή την εργασία χρησιμοποιήθηκαν:

1. Τύποι κάλυψης γης: Παρέχει παγκόσμιους τύπους κάλυψης γης σε ετήσια διαστήματα (2001-2019) και σε χωρική ανάλυση 500 m. Οι τύποι κάλυψης γης είναι: 11 κατηγορίες φυσικής βλάστησης και 3 κατηγορίες άγονης ή χωρίς βλάστηση, ενώ οι υπόλοιποι 3 αποτελούν ένα μείγμα διαφορετικών τύπων ή/και τεχνητής βλάστησης, όπως καλλιεργήσιμες εκτάσεις. Χρησιμοποίηθηκαν οι χάρτες κάλυψης του εδάφους του 2010, του 2011 και του 2012 για τη βελτίωση και την ενσωμάτωση του χάρτη Corine Land Cover του 2012, καθώς, και η ορθοφωτογραφία του 2012 της περιοχής Βασιλικάτα και επιτεύχθηκε συνολική ακρίβεια περίπου 85%,

2. Το σύνολο δεδομένων θερμοκρασίας επιφάνειας γης (LST) ξεκινά από το 2003 και η χωρική ανάλυσή του είναι 1 km2,

3. Δείκτες βλάστησης: Ο δείκτης βλάστησης (NDVI) προέρχεται από ατμοσφαιρικά διορθωμένη ανάκλαση στις κόκκινες και εγγύς υπέρυθρες ζώνες κυμάτων και είναι χρήσιμο για να χαρακτηρίζεται πιο αποτελεσματικά το παγκόσμιο εύρος καταστάσεων και διεργασιών βλάστησης.

Οι ημερήσιοι χάρτες LST και NDVI συλλέχθηκαν σε μηνιαία διαστήματα κατά τη διάρκεια του έτους μελέτης 2012 σε χωρική ανάλυση 1 km και υπολογίστηκε ο δείκτης υγρασίας εδάφους (SMI):

<center> ''' SMI = (LSTmax - LST) /(LSTmax - LSTmin), ''' </center>

όπου LSTmax και LSTmin είναι η μέγιστη και ελάχιστη θερμοκρασία επιφάνειας για ένα δεδομένο NDVI και LST είναι η θερμοκρασία επιφάνειας ενός pixel για ένα δεδομένο NDVI. Το LSTmax και το LSTmin υπολογίζονται χρησιμοποιώντας τις ακόλουθες εξισώσεις:

<center> ''' LSTmax = a1 * NDVI + b1 and LSTmin = a2 * NDVI + b2, ''' </center>

όπου τα a1, a2, b1 και b2 είναι οι εμπειρικές παράμετροι που λαμβάνονται από τη γραμμική παλινδρόμηση. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ '''

Σε ορισμένες περιπτώσεις, οι δείκτες βιοποικιλότητας που σχετίζονται με την παρουσία ζωικών ή φυτικών ειδών προς διατήρηση δεν περιλαμβάνονται στην ανάλυση. Ο τύπος των δεικτών που υποβάλλονται σε επεξεργασία επηρεάζει σημαντικά την αναγνώριση HNVF και η χρήση πολλών μεθόδων μπορεί να οδηγήσει σε ευρέως αποκλίνοντα αποτελέσματα. Στην περιοχή Marche (Ιταλία), τα HNVF αναγνωρίστηκαν με βάση τη διάρθρωση και τα χαρακτηριστικά της βλάστησης, και στη Γαλλία, χρησιμοποιήθηκαν μόνο στατιστικές πληροφορίες και το έργο τους βελτιώθηκε το 2010 με την εισαγωγή πρόσθετων πληροφοριών για τη βλάστηση. Ο δείκτης βιοποικιλότητας συχνά υπολογίζεται αποκλειστικά με τη χρήση δεδομένων που σχετίζονται με την κατανομή των ειδών, με βάση πληροφορίες από το δίκτυο Natura 2000. Ωστόσο, αυτός ο χάρτης παραμελεί τα είδη που ζουν σε αγροτικά περιβάλλοντα, ιδιαίτερα τα εκτεταμένα. Στο μεσογειακό περιβάλλον, αυτοί οι βιότοποι είναι κυρίαρχοι και επομένως πολύ σημαντικοί για τη διατήρηση των ειδών. Οι περιοχές HNVF προσδιορίστηκαν σύμφωνα με το κριτήριο: HNVF Index > Threshold: 18,34 είναι η ελάχιστη τιμή που αντιστοιχεί στο 30ο εκατοστημόριο του Δείκτη HNVF του δήμου και η μέγιστη τιμή που αντιστοιχεί στο 15ο εκατοστημόριο είναι ίση με 19,27. Οι περιοχές HNVF χαρακτηρίζονται από μεγαλύτερη μεταβλητότητα καλλιεργειών και μεγαλύτερη παρουσία φυσικών στοιχείων που ευνοούν τη βιοποικιλότητα, ενώ υπάρχει μικρότερη κάλυψη εκτατικών καλλιεργειών. Η μέση τιμή που σχετίζεται με την παρουσία εκτεταμένων λιβαδιών και βοσκοτόπων είναι πολύ χαμηλότερη στις περιοχές που ταξινομούνται ως μη HNVF. Ο δείκτης υγρασίας του εδάφους είναι κατά μέσο όρο υψηλότερος για τις περιοχές HNVF, ενώ το άζωτο που παρέχεται στις καλλιέργειες αλλά δεν χρησιμοποιείται είναι χαμηλότερο σε αυτές τις περιοχές. 39 δήμοι ταξινομήθηκαν ως αγροτικές περιοχές με υψηλή αξία, και 92 αποκλείστηκαν. Ο δείκτης HNVF που σχετίζεται με τον δήμο της Salandra (ταξινομημένος ως μη-HNVF) έχει τιμή δείκτη CD χαμηλότερη από τη μέση τιμή της κατηγορίας HNVF, δείκτη EP συγκρίσιμο με τη μέση τιμή της κατηγορίας HNVF και δείκτη Ne ελαφρώς χαμηλότερο από τη μέση τιμή της κατηγορίας HNVF. Όσον αφορά τον δείκτη ΕP, ο δήμος της Salandra έχει υψηλότερο επίπεδο εκτατικών καλλιεργειών από τον μέσο όρο της κατηγορίας HNVF καθώς και από τον δείκτη που σχετίζεται με εκτατικά αγροκτήματα, αλλά στερείται φυσικών λιβαδιών. Επίσης, θα πρέπει να αυξήσει τη μεταβλητότητα των καλλιεργειών ή/και να αυξήσει την έκταση των εκτεταμένων λιβαδιών και βοσκοτόπων προκειμένου να επανέλθει στην περιοχή HNVF, αλλά μόνο το 4% της χρησιμοποιούμενης γεωργικής περιοχής προορίζεται για μη εκτεταμένα λιβάδια και βοσκοτόπια. Οι ακαλλιέργητες εκτάσεις συνεισφέρουν στον δείκτη EMC που σχετίζεται με την παρουσία εκτεταμένων καλλιεργειών, ο οποίος το 2010 για τον συγκεκριμένο δήμο αντιπροσώπευε το 35% του συνόλου των χρησιμοποιούμενων γεωργικων περιοχών σε σύγκριση με το 35% των χρησιμοποιούμενων γεωργικων περιοχών που προοριζόταν για γεωργικές καλλιέργειες, εκ των οποίων οι εκτατικές καλλιέργειες αντιστοιχούσαν σε 15 %. Επομένως, ο δήμος θα πρέπει να διατηρήσει και να αυξήσει τη γεωργική έκταση που είναι αφιερωμένη σε εκτεταμένες καλλιέργειες για να μπορέσει να επιστρέψει στην περιοχή HNVF. Το 2017, η ISPRA δημοσίευσε ένα λεπτομερές έγγραφο στο οποίο ο δείκτης HNVF υπολογίστηκε με βάση τρία στοιχεία: δείκτης περιοχών διατήρησης ενδιαφέροντος, δείκτης γεωποικιλότητας και δείκτης ανθρωπικού αντίκτυπου. Για τον υπολογισμό, λήφθηκαν υπόψη μόνο τοποθεσίες με κάποιο βαθμό περιφερειακού, εθνικού ή διεθνούς ενδιαφέροντος και εξαιρέθηκαν εκείνες τοπικού ενδιαφέροντος. Δύο διαφορετικοί επικριτές θεωρήθηκαν: η πυκνότητα πληθυσμού ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο και ο περιορισμός της φυσικότητας (π.χ. η διαταραχή λόγω της γειτνίασης με εξαιρετικά ανθρωπογενή περιβάλλοντα). Το 2015, για την κατασκευή του μοντέλου αναγνώρισης περιοχής HNVF, χρησιμοποιήθηκε μια διαδικασία πολλαπλών κριτηρίων αξιολόγησης, το οποίο επέτρεψε την ενοποίηση επτά κριτηρίων: χρήση γης, περιοχές σχεδίου αγροτικής ανάπτυξης, προστατευόμενες περιοχές, ευπαθή εδάφη, υδρογραφία, επιφανειακά οργανικά, και προϊόντα DOP και IGP. Οι εδαφικοί δείκτες υπολογίστηκαν σε ένα GIS και η σύγκριση μεταξύ των διαφόρων παραγόντων έγινε μέσω μιας Διαδικασίας Ανάλυσης Ιεραρχίας. Δημιουργήθηκαν τέσσερις διαφορετικές κρίσεις, σύμφωνα με τις απόψεις των αγροτών, των περιβαλλοντικών ενώσεων, των υπευθύνων χάραξης πολιτικής και των τεχνικών φορέων. Ένα μεγάλο μέρος της γεωργικής γης της Βασιλικάτα (περίπου το 48%) έχει υψηλή αξία. Το 2014, χαρτογραφήθηκαν οι περιοχές HNVF στη Βασιλικάτα σε χωρική ανάλυση 100 km2, χρησιμοποιώντας την προσέγγιση κάλυψης γης και τριών κριτηρίων: το υψηλό ποσοστό ημιφυσικής βλάστησης, τη παρουσία φυσικών, ημιφυσικών, δομικών στοιχείων του τοπίου και την παρουσία ειδών ενδιαφέροντος για τη διατήρηση της φύσης σε ευρωπαϊκό επίπεδο. Οι περιοχές που σχετίζονται με τις υψηλότερες τιμές του δείκτη HNVF βρίσκονται στο κέντρο της Βασιλικάτα και σε λωρίδα στη νοτιοδυτική περιοχή, ενώ στα βορειοανατολικά της περιοχής, υπάρχουν πολλές βιομηχανικές εγκαταστάσεις. 

''' 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Πρωταρχικός στόχος της νέας ΚΑΠ είναι η διατήρηση της βιοποικιλότητας και για το σκοπό αυτό, οι δείκτες HNVF διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο. Ένας θεμελιώδης στόχος της ΚΑΠ είναι η διατήρηση των γεωργικών εκτάσεων HNVF και των γεωργικών τους συστημάτων που είναι εξαιρετικά πολυλειτουργικά, συμβάλλοντας στη γεωργική παραγωγή ενισχύοντας παράλληλα τη διατήρηση της βιοποικιλότητας και παρέχοντας ένα ευρύ φάσμα υπηρεσιών οικοσυστήματος. Ο δείκτης HNVF υπολογίστηκε σε περιβάλλον GIS με την εφαρμογή της στατιστικής προσέγγισης που ενσωματώθηκε με την επεξεργασία εικόνων τηλεπισκόπησης μέσης ανάλυσης. Αυτή η προσέγγιση είναι πολύ ευέλικτη επειδή επιτρέπει τη διαχείριση πολλαπλών επιπέδων πληροφοριών γεωγραφικής αναφοράς και επίσης επειδή είναι εφαρμόσιμη σε διαφορετικές χωροχρονικές αναλύσεις (τοπικές, περιφερειακές και εθνικές). Η προσέγγιση GIS παρέχει χρήση γης υψηλής ανάλυσης, χάρτες επιφανειακής θερμοκρασίας και χάρτες βιομάζας, καθώς και χλωροφύλλης, εδάφους, και δείκτες υγρασίας εδάφους. Αυτές είναι μερικές από τις πιο συχνά ζητούμενες πληροφορίες για τη διαμόρφωση στρατηγικών βιώσιμης διαχείρισης για την κληρονομιά του τοπίου-περιβαλλοντικής κληρονομιάς και για την αποτελεσματικότητα των περιβαλλοντικών πολιτικών. 

[[category:Γεωργία]]

Νέα τεχνική για την παρακολούθηση γεωργικών εκτάσεων υψηλής φυσικής αξίας στη Βασιλικάτα

2024-02-16T06:41:56Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''New Technique for Monitoring High Nature Value Farmland (HNVF) in Basilicata''

'''Συγγραφείς: ''' Costanza Fiorentino, Paola D’Antonio, Francesco Toscano, Angelo Donvito and Felice Modugno

'''Δημοσιεύθηκε: ''' ''Sustainability 2023, 15, 8377. https://doi.org/10.3390/su15108377 ''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Γεωργία

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Παρακολούθηση γεωργικών εκτάσεων υψηλής φυσικής αξίας στην περιοχή της Βασιλικάτα '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_b_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Σχέδιο των τριών τύπων περιοχών HNVF και πώς μπορούν να εντοπιστούν λειτουργικά εντός γεωργικών περιοχών, Ελλάδα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15108377] '']]

[[Αρχείο:Foufa_b_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Γεωγραφική θέση της περιοχής Βασιλικάτα στη νότια Ιταλία, Ελλάδα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15108377] '']]

[[Αρχείο:Foufa_b_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' Μηνιαίοι χάρτες δεικτών SMI Μαΐου (α), Ιουνίου (β), Ιουλίου (γ), Αυγούστου (δ) και Σεπτεμβρίου (ε) 2012, Ελλάδα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15108377] '']]

[[Αρχείο:Foufa_b_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' α) Χάρτης του δείκτη μεταβλητότητας καλλιεργειών (CD), β) Χάρτης εκτεταμένων πρακτικών (EP), γ) Χάρτης παρουσίας δείκτη φυσικού στοιχείου (Ne), Ελλάδα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15108377] '']]

[[Αρχείο:Foufa_b_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' Χάρτης του δείκτη HNVF που λαμβάνεται ως το σταθμισμένο άθροισμα των τριών υποδεικτών CD, EP και Ne. Ο δείκτης κυμαίνεται μεταξύ 0 και 30, Ελλάδα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15108377] '']]

[[Αρχείο:Foufa_b_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' HNVF Χάρτης των δήμων στην περιοχή Βασιλικάτα. Το σχήμα (α) δείχνει τον χάρτη που σχετίζεται με μια τιμή ίση με το 30ο εκατοστημόριο, ενώ το σχήμα (β) δείχνει τον χάρτη που σχετίζεται με μια τιμή ίση με το 15ο εκατοστημόριο, Ελλάδα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15108377] '']]

[[Αρχείο:Foufa_b_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Χάρτης του δείκτη φυσικής αξίας στην περιοχή Βασιλικάτα (ISPRA 2017), Ελλάδα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15108377] '']]

[[Αρχείο:Foufa_b_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Χάρτες περιοχών HNVF στην περιοχή Βασιλικάτα που δημοσιεύθηκαν το 2014, Ελλάδα, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15108377] '']]

Γεωργικές περιοχές με υψηλή φυσιοκρατική αξία είναι εκείνες οι περιοχές που χαρακτηρίζονται από καλό επίπεδο ποικιλομορφίας καλλιεργειών, όπου τα μηχανήματα και οι εισροές όπως λιπάσματα και φυτοφάρμακα μειώνονται, ημιφυσικές περιοχές με εκτεταμένη γεωργία και η παρουσία φρακτών, σειρών δέντρων και περιοχών αυθόρμητης βλάστησης. Οι περιοχές HNVF συμβάλλουν σημαντικά στη διατήρηση υψηλού βαθμού βιοποικιλότητας. Μελέτες εντόπισαν πιθανές περιοχές HVNF σε ευρωπαϊκή κλίμακα συνδυάζοντας τις χαρτογραφικές πληροφορίες του Corine Land Cover με τις στατιστικές οικονομικές πληροφορίες του Farm Accountancy Data Network. Από τις πρώτες μελέτες, έχουν οριστεί τρεις τύποι περιοχών HNVF:

Τύπος 1: Αγροτική γη με υψηλή κάλυψη ημιφυσικής βλάστησης, τύπος 2: Γεωργική γη που κυριαρχείται από γεωργία χαμηλής έντασης ή από ένα μωσαϊκό ημιφυσικών και καλλιεργούμενων περιοχών, τύπος 3: Γεωργική γη με σπάνια είδη ή υψηλή αναλογία ζωικών και/ή φυτικών ειδών με ενδιαφέρον διατήρησης.

Το HNVF απέκτησε ιδιαίτερη σημασία το 2005 όταν υιοθετήθηκε ως δείκτης από το Κοινό Πλαίσιο Παρακολούθησης και Αξιολόγησης των Προγραμμάτων Αγροτικής Ανάπτυξης. Παρόλο που η Ευρωπαϊκή Επιτροπή δεν παρείχε λεπτομερή και αυστηρή μεθοδολογία για τον προσδιορισμό του HNVF, υπέδειξε γενικές οδηγίες, αφήνοντας τη δυνατότητα προσαρμογής των μεθοδολογιών στις διάφορες γεωγραφικές περιοχές και στα διαθέσιμα δεδομένα.

Το European Evaluation Helpdesk for Rural Development δημοσίευσε μια μεθοδολογία για την παρακολούθηση των περιοχών HNVF:

1. Αναπτύχθηκε και αποθηκεύτηκε σε έργο GIS με χρήση γεωαναφορικών δεδομένων και χαρτών, 2. Με βάση ολοκληρωμένες μεθόδους για την κάλυψη γης και την ένταση καλλιέργειας/αναπαραγωγής, λαμβάνοντας υπόψη τα στοιχεία που διατηρούν την κατανομή των ειδών,

3. Δυναμική-για την παρακολούθηση της χωροχρονικής διακύμανσης των περιοχών HNVF,

4. Δυνατότητα καταγραφής και αναφοράς αύξησης ή μείωσης των δεικτών HNVF και, επομένως, του επιπέδου βιοποικιλότητας μιας συγκεκριμένης περιοχής.

Η μεταρρύθμιση της Κοινής Αγροτικής Πολιτικής (ΚΑΠ) του 2020 επιβεβαιώνει την προσοχή που έχει δοθεί στην περιβαλλοντική βιωσιμότητα, τη βιοποικιλότητα και υπογραμμίζει ένα δίκαιο εισόδημα για τους αγρότες. Οι κύριες αλλαγές της ΚΑΠ μετά το 2020 αφορούν τους τρόπους με τους οποίους τα κράτη μέλη θα καθορίσουν πώς να επιτύχουν στόχους, συμπεριλαμβανομένων εκείνων για ημιφυσικές και γεωργικές περιοχές που μειώνονται ή κινδυνεύουν να μειωθούν. Η νέα μεταρρύθμιση της ΚΑΠ για την περίοδο 2023–2027 θα απαιτήσει από τις χώρες να αναπτύξουν εθνικά στρατηγικά σχέδια για την προώθηση της περιβαλλοντικής και κοινωνικής βιωσιμότητας των γεωργικών συστημάτων. Το σχέδιο αυτό θα υποδεικνύει στις αρμόδιες αρχές τις συγκεκριμένες ενέργειες που πρέπει να υλοποιηθούν και θα προσδιορίζει τα κονδύλια που διατέθηκαν. Οι εκθέσεις εργαστηρίων και ομάδων επιστημονικών εμπειρογνωμόνων από ευρωπαϊκές χώρες τόνισαν την επείγουσα ανάγκη: αύξηση των προστατευόμενων περιοχών, αύξηση της χρηματοδότησης για τον μετριασμό των αρνητικών επιπτώσεων της γεωργίας στη βιοποικιλότητα και το κλίμα, αύξηση κονδυλίων που χρηματοδοτούν περιβαλλοντικούς και κοινωνικοοικονομικούς στόχους.

Η νέα ΚΑΠ στοχεύει στην προώθηση ενός βιώσιμου και ανταγωνιστικού γεωργικού τομέα που μπορεί να υποστηρίξει τα προς το ζην των αγροτών και να παρέχει υγιεινά και βιώσιμα τρόφιμα για την κοινωνία. Η γεωργία και οι αγροτικές περιοχές έχουν κεντρική θέση στην Ευρωπαϊκή Πράσινη Συμφωνία και η νέα ΚΑΠ θα αποτελέσει βασικό εργαλείο για την επίτευξη της βιοποικιλότητας. Οι δράσεις θα πρέπει να σχεδιάζονται τόσο σε εδαφικό επίπεδο όσο και σε επίπεδο αγροκτημάτων, να στοχεύουν στη διατήρηση και την προώθηση της βιοποικιλότητας σε σχέση με τις γεωργικές πρακτικές, να βασίζονται στη διατήρηση των γεωργικών περιοχών που έχουν φυσικά στοιχεία που υποστηρίζουν τη βιοποικιλότητα, όπως αγροδασοκομικές περιοχές, ρυάκια ή λιμνούλες που μπορούν να φιλοξενήσουν προστατευόμενα είδη. Άλλα σημαντικά στοιχεία αφορούν τη γεωπονική διαχείριση ξεκινώντας από τη διαχείριση του περιθωρίου του αγρού, την προσαρμογή των διαστάσεων του αγρού για να καταλήξουμε στη διαχείριση των υδάτινων πόρων, των λιπασμάτων και στη χρήση αγροχημικών προϊόντων για τον έλεγχο των ζιζανίων και την πρόληψη ασθενειών. Η διαχείριση όλων αυτών των στοιχείων είναι αρκετά περίπλοκη και οι πιθανές λύσεις διαφέρουν μεταξύ γεωργικών συστημάτων και εντός γεωργικών συστημάτων ανάλογα με τη γεωγραφική θέση. Για τη διατήρηση της βιοποικιλότητας, σημαντικό ρόλο έχουν, η διαχείριση της αγρανάπαυσης σε αρόσιμες εκτάσεις, η διατήρηση της κάλυψης χλοοτάπητα σε ξυλώδεις και μικτές καλλιέργειες, ο έλεγχος των πλημμυρών σε ορυζώνες και η διαχείριση των ποσοστών εκτροφής στους βοσκότοπους, ιδιαίτερα στους εκτεταμένους. Η μείωση της χρήσης φυτοφαρμάκων βελτίωσαν τη διαθεσιμότητα τροφής και την ποικιλομορφία των πτηνών των καλλιεργήσιμων εκτάσεων, ενώ η καθυστέρηση της συγκομιδής προσφέρει τροφή και καταφύγιο βελτιώνοντας την αφθονία των πτηνών.Οι διαδικασίες υπολογισμού HNVF μπορούν να παρέχουν πληροφορίες σχετικά με την πρωτογενή παραγωγή, τον κύκλο των θρεπτικών ουσιών, τον σχηματισμό του εδάφους, κ.λπ. Αυτοί οι δείκτες τροφοδοτούν ένα ευρύ φάσμα υπηρεσιών οικοσυστήματος. Η γεωργική γη HNVF έχει θετικό αντίκτυπο στην κλιματική αλλαγή, στην πρόληψη της διάβρωσης του εδάφους και στον βιολογικό έλεγχο. Τα εδάφη HNVF περιέχουν υψηλότερα επίπεδα οργανικού άνθρακα, συμβάλοντας στη ρύθμιση του κλίματος, στη διατήρηση της γονιμότητας του εδάφους και στην πρόληψη της διάβρωσης, της ερημοποίησης και της αλάτωσης του εδάφους. Η προμήθεια γεωργικών προϊόντων υψηλής ποιότητας και υψηλής οικονομικής αξίας συνδέεται με τη γεωργική γη HNV κι αυτά τα προϊόντα συχνά επισημαίνονται ως αναγνωρισμένα υψηλής ποιότητας. Επομένως, η διατήρηση των περιοχών HNVF επηρεάζει έμμεσα την ποιότητα της παραγωγής τροφίμων και ζωοτροφών, την παροχή νερού και υπηρεσίες, όπως ψυχαγωγικές δραστηριότητες, αγροτουρισμός και διατήρηση της πολιτιστικής κληρονομιάς. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι ο καθορισμός διαδικασιών GIS με βάση την επεξεργασία συγκεκριμένων δεικτών για την επεξεργασία του χάρτη HNVF χρησιμοποιώντας δεδομένα που είναι διαθέσιμα στο αποθετήριο πληροφοριών της βάσης δεδομένων της δημόσιας αρχής. Η προτεινόμενη μεθοδολογία έχει το πλεονέκτημα της χρήσης δωρεάν δεδομένων εισόδου (π.χ. χάρτες Corine Land Cover, εικόνες τηλεπισκόπησης κ.λπ.) και είναι προσαρμόσιμη σε διαφορετικές χωρικές αναλύσεις.

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Η περιοχή μελέτης '''

Η περιοχή μελέτης είναι ολόκληρη η περιοχή της Βασιλικάτα, η οποία χαρακτηρίζεται από αγροτική κυρίως οικονομία και κυμαίνεται μεταξύ πολύ διαφορετικών οικοσυστημάτων: το νοτιοδυτικό τμήμα είναι πλούσιο σε δάση και φυσικές περιοχές, η παράκτια λωρίδα έχει αμπελώνες, περιβόλια και κηπευτικές καλλιέργειες, στις εσωτερικές περιοχές επικτατεί η καλλιέργεια σιταριού και στο βορειοανατολικό τμήμα υπάρχουν πολλές βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Τα δεδομένα εισόδου που χρησιμοποιήθηκαν για την επεξεργασία του χάρτη των περιοχών HNVF χωρίστηκαν σε τρεις ομάδες και ανέβηκαν σε ένα έργο GIS (QGIS):

1. Διαμόρφωση και δομή τοπίου: Το DEM/DTM υπολογίζεται από εικόνες τηλεπισκόπησης SAR, χρησιμοποιήθηκαν τοπογραφικοί χάρτες και χάρτης παράκτιων περιοχών που καλύπτονται από βλάστηση, 2. Χρήση γης: Corine Land Cover χάρτης, δορυφορικές εικόνες Modis, ορθοφωτογραφία 2012, χάρτης προστατευόμενων περιοχών: Εθνικά και Περιφερειακά Πάρκα, χάρτης βιολογικών καλλιεργειών, χάρτης ζωνών που χωρίζει την περιοχή της Βασιλικάτα σε 3 ομοιογενείς περιοχές κι αυτό παρέχει πληροφορίες για το βαθμό εξειδίκευσης της γεωργίας και έμμεσα παρέχει πληροφορίες για την ένταση των εξωτερικών εισροών,

3. Στατιστικά στοιχεία: στοιχεία από την 6η αγροτική απογραφή, δίκτυο λογιστικών δεδομένων FDAN Farm, δίκτυο οικονομικών δεικτών RICA (Ιταλικό CREA).

''' 2.2. Μεθοδολογία '''

Η μεθοδολογία βασίζεται στην προσέγγιση στατιστικών και γεωργικών συστημάτων κι έγκειται στη χρήση δορυφορικών εικόνων MODIS: να βελτιωθεί ο αριθμός και η ακρίβεια των τάξεων κάλυψης γης του χάρτη Corine Land Cover, να υπολογιστούν δείκτες που στοχεύουν στην παρακολούθηση των ιδιοτήτων του εδάφους και της βλάστησης.

Τρεις ανεξάρτητοι δείκτες συμβάλλουν στον χαρακτηρισμό της περιοχής HNVF: Μεταβλητότητα καλλιεργειών (CD), εκτεταμένες πρακτικές (EP), παρουσία φυσικών στοιχείων (Ne).

Τα κύρια χαρακτηριστικά μιας περιοχής υψηλής αξίας και το κριτήριο για τον καθορισμό του εάν ένας δήμος μπορεί να ταξινομηθεί ως περιοχή HNVF συνοψίζονται:

<center> ''' Index HNVF = (CD+EP+Ne) >Threshold, ''' </center>

Το αποδεκτό ελάχιστο όριο για να χαρακτηριστεί μια περιοχή ως γεωργική γη HNVF θα πρέπει να κυμαίνεται μεταξύ του 30ου και του 15ου εκατοστημόριου των καλύτερων βαθμολογιών του δήμου. Οι τρεις δείκτες (CD, EP και Ne) έλαβαν ίση βαρύτητα στον υπολογισμό του δείκτη HNVF και κανονικοποιήθηκαν ώστε να κυμαίνονται μεταξύ 0 και 10 προκειμένου να υπολογιστεί μια τελική βαθμολογία και να σχεδιαστούν χάρτες έτσι ώστε ο συνολικός δείκτης HNVF να κυμαίνεται μεταξύ 0 και 30. Η χρησιμοποιούμενη γεωργική περιοχή υπολογίζεται εξαιρουμένων των ανθρωπογενών περιοχών, των υδάτινων εκτάσεων και των παράκτιων περιοχών αμμόλοφων που καλύπτονται από βλάστηση. Η μελέτη περιλαμβάνει και τους 131 δήμους της περιοχής Βασιλικάτα.

Οι εικόνες τηλεπισκόπησης MODIS είναι διαθέσιμες στον ιστότοπο Earthdata. Από τον ιστότοπο, είναι δυνατή η λήψη μιας σειράς θεματικών χαρτών (π.χ. κάλυψη γης, δείκτες βλάστησης, θερμοκρασία επιφάνειας γης κ.λπ.) που προέρχονται από πολυφασματικές εικόνες MODIS. Σε αυτή την εργασία χρησιμοποιήθηκαν:

1. Τύποι κάλυψης γης: Παρέχει παγκόσμιους τύπους κάλυψης γης σε ετήσια διαστήματα (2001-2019) και σε χωρική ανάλυση 500 m. Οι τύποι κάλυψης γης είναι: 11 κατηγορίες φυσικής βλάστησης και 3 κατηγορίες άγονης ή χωρίς βλάστηση, ενώ οι υπόλοιποι 3 αποτελούν ένα μείγμα διαφορετικών τύπων ή/και τεχνητής βλάστησης, όπως καλλιεργήσιμες εκτάσεις. Χρησιμοποίηθηκαν οι χάρτες κάλυψης του εδάφους του 2010, του 2011 και του 2012 για τη βελτίωση και την ενσωμάτωση του χάρτη Corine Land Cover του 2012, καθώς, και η ορθοφωτογραφία του 2012 της περιοχής Βασιλικάτα και επιτεύχθηκε συνολική ακρίβεια περίπου 85%,

2. Το σύνολο δεδομένων θερμοκρασίας επιφάνειας γης (LST) ξεκινά από το 2003 και η χωρική ανάλυσή του είναι 1 km2,

3. Δείκτες βλάστησης: Ο δείκτης βλάστησης (NDVI) προέρχεται από ατμοσφαιρικά διορθωμένη ανάκλαση στις κόκκινες και εγγύς υπέρυθρες ζώνες κυμάτων και είναι χρήσιμο για να χαρακτηρίζεται πιο αποτελεσματικά το παγκόσμιο εύρος καταστάσεων και διεργασιών βλάστησης.

Οι ημερήσιοι χάρτες LST και NDVI συλλέχθηκαν σε μηνιαία διαστήματα κατά τη διάρκεια του έτους μελέτης 2012 σε χωρική ανάλυση 1 km και υπολογίστηκε ο δείκτης υγρασίας εδάφους (SMI):

<center> ''' SMI = (LSTmax - LST) /(LSTmax - LSTmin), ''' </center>

όπου LSTmax και LSTmin είναι η μέγιστη και ελάχιστη θερμοκρασία επιφάνειας για ένα δεδομένο NDVI και LST είναι η θερμοκρασία επιφάνειας ενός pixel για ένα δεδομένο NDVI. Το LSTmax και το LSTmin υπολογίζονται χρησιμοποιώντας τις ακόλουθες εξισώσεις:

<center> ''' LSTmax = a1 * NDVI + b1 and LSTmin = a2 * NDVI + b2, ''' </center>

όπου τα a1, a2, b1 και b2 είναι οι εμπειρικές παράμετροι που λαμβάνονται από τη γραμμική παλινδρόμηση. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ '''

Σε ορισμένες περιπτώσεις, οι δείκτες βιοποικιλότητας που σχετίζονται με την παρουσία ζωικών ή φυτικών ειδών προς διατήρηση δεν περιλαμβάνονται στην ανάλυση. Ο τύπος των δεικτών που υποβάλλονται σε επεξεργασία επηρεάζει σημαντικά την αναγνώριση HNVF και η χρήση πολλών μεθόδων μπορεί να οδηγήσει σε ευρέως αποκλίνοντα αποτελέσματα. Στην περιοχή Marche (Ιταλία), τα HNVF αναγνωρίστηκαν με βάση τη διάρθρωση και τα χαρακτηριστικά της βλάστησης, και στη Γαλλία, χρησιμοποιήθηκαν μόνο στατιστικές πληροφορίες και το έργο τους βελτιώθηκε το 2010 με την εισαγωγή πρόσθετων πληροφοριών για τη βλάστηση. Ο δείκτης βιοποικιλότητας συχνά υπολογίζεται αποκλειστικά με τη χρήση δεδομένων που σχετίζονται με την κατανομή των ειδών, με βάση πληροφορίες από το δίκτυο Natura 2000. Ωστόσο, αυτός ο χάρτης παραμελεί τα είδη που ζουν σε αγροτικά περιβάλλοντα, ιδιαίτερα τα εκτεταμένα. Στο μεσογειακό περιβάλλον, αυτοί οι βιότοποι είναι κυρίαρχοι και επομένως πολύ σημαντικοί για τη διατήρηση των ειδών. Οι περιοχές HNVF προσδιορίστηκαν σύμφωνα με το κριτήριο: HNVF Index > Threshold: 18,34 είναι η ελάχιστη τιμή που αντιστοιχεί στο 30ο εκατοστημόριο του Δείκτη HNVF του δήμου και η μέγιστη τιμή που αντιστοιχεί στο 15ο εκατοστημόριο είναι ίση με 19,27. Οι περιοχές HNVF χαρακτηρίζονται από μεγαλύτερη μεταβλητότητα καλλιεργειών και μεγαλύτερη παρουσία φυσικών στοιχείων που ευνοούν τη βιοποικιλότητα, ενώ υπάρχει μικρότερη κάλυψη εκτατικών καλλιεργειών. Η μέση τιμή που σχετίζεται με την παρουσία εκτεταμένων λιβαδιών και βοσκοτόπων είναι πολύ χαμηλότερη στις περιοχές που ταξινομούνται ως μη HNVF. Ο δείκτης υγρασίας του εδάφους είναι κατά μέσο όρο υψηλότερος για τις περιοχές HNVF, ενώ το άζωτο που παρέχεται στις καλλιέργειες αλλά δεν χρησιμοποιείται είναι χαμηλότερο σε αυτές τις περιοχές. 39 δήμοι ταξινομήθηκαν ως αγροτικές περιοχές με υψηλή αξία, και 92 αποκλείστηκαν. Ο δείκτης HNVF που σχετίζεται με τον δήμο της Salandra (ταξινομημένος ως μη-HNVF) έχει τιμή δείκτη CD χαμηλότερη από τη μέση τιμή της κατηγορίας HNVF, δείκτη EP συγκρίσιμο με τη μέση τιμή της κατηγορίας HNVF και δείκτη Ne ελαφρώς χαμηλότερο από τη μέση τιμή της κατηγορίας HNVF. Όσον αφορά τον δείκτη ΕP, ο δήμος της Salandra έχει υψηλότερο επίπεδο εκτατικών καλλιεργειών από τον μέσο όρο της κατηγορίας HNVF καθώς και από τον δείκτη που σχετίζεται με εκτατικά αγροκτήματα, αλλά στερείται φυσικών λιβαδιών. Επίσης, θα πρέπει να αυξήσει τη μεταβλητότητα των καλλιεργειών ή/και να αυξήσει την έκταση των εκτεταμένων λιβαδιών και βοσκοτόπων προκειμένου να επανέλθει στην περιοχή HNVF, αλλά μόνο το 4% της χρησιμοποιούμενης γεωργικής περιοχής προορίζεται για μη εκτεταμένα λιβάδια και βοσκοτόπια. Οι ακαλλιέργητες εκτάσεις συνεισφέρουν στον δείκτη EMC που σχετίζεται με την παρουσία εκτεταμένων καλλιεργειών, ο οποίος το 2010 για τον συγκεκριμένο δήμο αντιπροσώπευε το 35% του συνόλου των χρησιμοποιούμενων γεωργικων περιοχών σε σύγκριση με το 35% των χρησιμοποιούμενων γεωργικων περιοχών που προοριζόταν για γεωργικές καλλιέργειες, εκ των οποίων οι εκτατικές καλλιέργειες αντιστοιχούσαν σε 15 %. Επομένως, ο δήμος θα πρέπει να διατηρήσει και να αυξήσει τη γεωργική έκταση που είναι αφιερωμένη σε εκτεταμένες καλλιέργειες για να μπορέσει να επιστρέψει στην περιοχή HNVF. Το 2017, η ISPRA δημοσίευσε ένα λεπτομερές έγγραφο στο οποίο ο δείκτης HNVF υπολογίστηκε με βάση τρία στοιχεία: δείκτης περιοχών διατήρησης ενδιαφέροντος, δείκτης γεωποικιλότητας και δείκτης ανθρωπικού αντίκτυπου. Για τον υπολογισμό, λήφθηκαν υπόψη μόνο τοποθεσίες με κάποιο βαθμό περιφερειακού, εθνικού ή διεθνούς ενδιαφέροντος και εξαιρέθηκαν εκείνες τοπικού ενδιαφέροντος. Δύο διαφορετικοί επικριτές θεωρήθηκαν: η πυκνότητα πληθυσμού ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο και ο περιορισμός της φυσικότητας (π.χ. η διαταραχή λόγω της γειτνίασης με εξαιρετικά ανθρωπογενή περιβάλλοντα). Το 2015, για την κατασκευή του μοντέλου αναγνώρισης περιοχής HNVF, χρησιμοποιήθηκε μια διαδικασία πολλαπλών κριτηρίων αξιολόγησης, το οποίο επέτρεψε την ενοποίηση επτά κριτηρίων: χρήση γης, περιοχές σχεδίου αγροτικής ανάπτυξης, προστατευόμενες περιοχές, ευπαθή εδάφη, υδρογραφία, επιφανειακά οργανικά, και προϊόντα DOP και IGP. Οι εδαφικοί δείκτες υπολογίστηκαν σε ένα GIS και η σύγκριση μεταξύ των διαφόρων παραγόντων έγινε μέσω μιας Διαδικασίας Ανάλυσης Ιεραρχίας. Δημιουργήθηκαν τέσσερις διαφορετικές κρίσεις, σύμφωνα με τις απόψεις των αγροτών, των περιβαλλοντικών ενώσεων, των υπευθύνων χάραξης πολιτικής και των τεχνικών φορέων. Ένα μεγάλο μέρος της γεωργικής γης της Βασιλικάτα (περίπου το 48%) έχει υψηλή αξία. Το 2014, χαρτογραφήθηκαν οι περιοχές HNVF στη Βασιλικάτα σε χωρική ανάλυση 100 km2, χρησιμοποιώντας την προσέγγιση κάλυψης γης και τριών κριτηρίων: το υψηλό ποσοστό ημιφυσικής βλάστησης, τη παρουσία φυσικών, ημιφυσικών, δομικών στοιχείων του τοπίου και την παρουσία ειδών ενδιαφέροντος για τη διατήρηση της φύσης σε ευρωπαϊκό επίπεδο. Οι περιοχές που σχετίζονται με τις υψηλότερες τιμές του δείκτη HNVF βρίσκονται στο κέντρο της Βασιλικάτα και σε λωρίδα στη νοτιοδυτική περιοχή, ενώ στα βορειοανατολικά της περιοχής, υπάρχουν πολλές βιομηχανικές εγκαταστάσεις. 

''' 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Πρωταρχικός στόχος της νέας ΚΑΠ είναι η διατήρηση της βιοποικιλότητας και για το σκοπό αυτό, οι δείκτες HNVF διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο. Ένας θεμελιώδης στόχος της ΚΑΠ είναι η διατήρηση των γεωργικών εκτάσεων HNVF και των γεωργικών τους συστημάτων που είναι εξαιρετικά πολυλειτουργικά, συμβάλλοντας στη γεωργική παραγωγή ενισχύοντας παράλληλα τη διατήρηση της βιοποικιλότητας και παρέχοντας ένα ευρύ φάσμα υπηρεσιών οικοσυστήματος. Ο δείκτης HNVF υπολογίστηκε σε περιβάλλον GIS με την εφαρμογή της στατιστικής προσέγγισης που ενσωματώθηκε με την επεξεργασία εικόνων τηλεπισκόπησης μέσης ανάλυσης. Αυτή η προσέγγιση είναι πολύ ευέλικτη επειδή επιτρέπει τη διαχείριση πολλαπλών επιπέδων πληροφοριών γεωγραφικής αναφοράς και επίσης επειδή είναι εφαρμόσιμη σε διαφορετικές χωροχρονικές αναλύσεις (τοπικές, περιφερειακές και εθνικές). Η προσέγγιση GIS παρέχει χρήση γης υψηλής ανάλυσης, χάρτες επιφανειακής θερμοκρασίας και χάρτες βιομάζας, καθώς και χλωροφύλλης, εδάφους, και δείκτες υγρασίας εδάφους. Αυτές είναι μερικές από τις πιο συχνά ζητούμενες πληροφορίες για τη διαμόρφωση στρατηγικών βιώσιμης διαχείρισης για την κληρονομιά του τοπίου-περιβαλλοντικής κληρονομιάς και για την αποτελεσματικότητα των περιβαλλοντικών πολιτικών. 

[[category:Γεωργία]]

Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών χρησιμοποιώντας GIS και τεχνικές τηλεπισκόπησης

2024-02-16T06:33:23Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Estimation of Crop Water Productivity Using GIS and Remote Sensing Techniques''

'''Συγγραφείς: ''' Zenobia Talpur, Arjumand Z. Zaidi, Suhail Ahmed, Tarekegn Dejen Mengistu, Si-Jung Choi, Il-Moon Chung

'''Δημοσιεύθηκε: '''''Sustainability 2023, 15, 11154. https://doi.org/10.3390/su151411154 ''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Γεωργία, υδατικοί πόροι, αρδευτικό σύστημα

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Εκτίμηση της παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών στην περιοχή της Σινδ '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_G_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Θέση της περιοχής μελέτης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Τύποι και πηγές δεδομένων, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' (a) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Rabi, (b) Ροή φράγματος Sukkur στην εποχή Kharif , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2014–2015), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας σίτου (2016–2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας βαμβακιού (2017), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' (a) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (1998), (b) Πραγματική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας ρυζιού (2017) , πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας σιταριού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας βαμβακιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

[[Αρχείο:Foufa_G_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Παραγωγικότητα νερού της καλλιέργειας ρυζιού, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su151411154]'' ]]

Ο αγροτικός τομέας καταναλώνει το 90% του παγκόσμιου νερού, από το οποίο το 40% των καλλιεργειών παράγεται μέσω του συστήματος άρδευσης. Η μη βιώσιμη γεωργία δεν μπορεί να επιτύχει τις διατροφικές απαιτήσεις για τον αυξανόμενο πληθυσμό και ο αγροτικός τομέας αντιμετωπίζει προκλήσεις χαμηλής παραγωγικότητας του νερού των καλλιεργειών, έτσι η χρήση του νερού πρέπει να βελτιστοποιηθεί για να παράγει περισσότερα τρόφιμα. Ο αγροτικός τομέας του Πακιστάν συνεισφέρει το 24% της Ακαθάριστης Εγχώριας Παραγωγής και απασχολεί το 45% του συνολικού εργατικού δυναμικού του. Το Πακιστάν έχει δύο κύριες περιόδους καλλιέργειας - Rabi and Kharif. Η καλλιέργεια Kharif εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ποσότητα και την κατανομή των βροχοπτώσεων, ειδικά κατά την περίοδο των μουσώνων. Το σύστημα καναλιών του ποταμού Ινδού υποστηρίζει κυρίως τη γεωργία. Το φράγμα Sukkur είναι το παλαιότερο από αυτά. Πριν από το φράγμα Sukkur, χτίστηκε το κανάλι Rohri μήκους 350 χιλιομέτρων, ένα από τα παλαιότερα κανάλια. Το κανάλι ποτίζει αγροκτήματα στην αριστερή όχθη του ποταμού Ινδού κάτω από το φράγμα Sukkur. Περίπου 2,9 εκατομμύρια στρέμματα γεωργικής γης αντλούν νερό από το κανάλι Rohri σε εννέα περιοχές. Το κανάλι Rohri ποτίζει εδάφη μέχρι την παράκτια περιοχή της Σινδ για οπωρώνες και περιοχές όπου καλλιεργούνται καλλιέργειες όπως το ζαχαροκάλαμο, το βαμβάκι και το σιτάρι. Η φθίνουσα διαθεσιμότητα νερού στο Πακιστάν είναι ανησυχητική, λόγω της ταχείας αστικοποίησης και εκβιομηχάνισης τα τελευταία πενήντα χρόνια. Εκτός από τον ποταμό Ινδό, άλλοι υδατικοί πόροι στο Πακιστάν είναι τα υπόγεια ύδατα και η βροχόπτωση. Ωστόσο, τα υπόγεια ύδατα εξαντλούνται με τεράστιο ρυθμό λόγω της εκτεταμένης υπερεκμετάλλευσης. Η ανάγκη για άρδευση έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία 20 χρόνια λόγω της αποκατάστασης και επέκτασης της περιοχής καλλιέργειας. Η παροχή νερού ήταν μικρότερη από το 26% των απαιτήσεων σε νερό των καλλιεργειών το καλοκαίρι του 2012, ενώ το χειμώνα, ήταν περίπου 20% πλεόνασμα. Ο ποταμός Ινδός έχει παραγωγικότητα 54%, ενώ η παραγωγικότητα του αρδευτικού συστήματος της Σινδ είναι μόλις 35%. Το κύριο πρόβλημα διαχείρισης του νερού είναι η έλλειψη νερού στις αρχές της περιόδου που ακολουθείται από υπερβολικό νερό με την έναρξη των μουσώνων. Οι αρχές της αποδοτικότητας του νερού βοηθούν στην αξιολόγηση της τρέχουσας παραγωγής και στη διερεύνηση στρατηγικών για την εξοικονόμηση πραγματικού νερού από τα χωράφια στις λεκάνες απορροής. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι η ιδέα να αξιοποιήσετε στο έπακρο τις καλλιέργειες, τα ζώα και άλλα πράγματα, ενώ χρησιμοποιείτε τη λιγότερη δυνατή ποσότητα νερού. Τα δεδομένα σχετικά με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται από τις καλλιέργειες πρέπει να λαμβάνονται ως προαπαιτούμενο πριν από τη χρήση αυτής της στρατηγικής. Η χρήση τιμών εξατμισοδιαπνοής (ET) για την επίλυση απλών εξισώσεων για τον προσδιορισμό της ποσότητας του νερού που καταναλώνεται μπορεί, επομένως, να είναι μια λύση σε αυτό το χρονικά περιορισμένο πρόβλημα. Οι πραγματικές μετρήσεις εξατμισοδιαπνοής (ETa) λαμβάνονται από δορυφορικές φωτογραφίες για επεξεργασία. Αυτή η μελέτη αναλύει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) και τη παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών σιταριού, ρυζιού και βαμβακιού σε εννέα περιοχές της Σινδ εντός της περιοχής διοίκησης του Καναλιού Rohri και θα βοηθήσει στον εντοπισμό περιοχών υψηλών γεωργικών επιδόσεων και θα παρέχει πληροφορίες για τη διαχείριση του συστήματος άρδευσης, οδηγώντας σε βιώσιμη παραγωγικότητα του νερού. Η τηλεπισκόπηση παρέχει μεγάλης κλίμακας δεδομένα εξατμισοδιαπνοής. Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε μια ισχυρή πύλη δεδομένων που βασίζεται στην τηλεπισκόπηση — ροή εξατμισοδιαπνοής του Google Earth Engine (EEFlux) που βασίζεται στη «Χαρτογράφηση εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερική βαθμονόμηση (METRIC)». Αυτός ο ιστότοπος δεδομένων έχει μεγάλες δυνατότητες εκτίμησης του ETa. Το METRIC είναι μια τροποποιημένη έκδοση του «Αλγόριθμου Επιφανειακής Εξισορρόπησης Ενέργειας για Γη (SEBAL), που χρησιμοποιείται στις μέρες μας για τη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής. Το METRIC απαιτεί χειροκίνητες επιλογές εικονοστοιχείων, επομένως έχουν αναπτυχθεί μοντέλα αυτόματης βαθμονόμησης λόγω αβεβαιότητας που μπορεί να προκύψει κατά τη βαθμονόμησή του με διαφορετικούς χρήστες. Τα αυτόματα μοντέλα απαιτούν επίσης τεράστια προεπεξεργασία, όπως η συναρμολόγηση διαφόρων στρωμάτων, το τοπικό κλίμα, τα δορυφορικά δεδομένα, οι χρήσεις γης/κάλυψη, οι χάρτες εδάφους και η εισαγωγή δεδομένων. Το EEFlux όχι μόνο παρέχει έναν αυτόματο μηχανισμό εισαγωγής δεδομένων, αλλά συνδέεται επίσης με το Google Earth Engine (GEE) με τον αλγόριθμο METRIC και παρέχει χάρτες για το Landsat 5, 7, ή 8. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν εικόνες Landsat 5 και 8. 

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Περιγραφή της Περιοχής Μελέτης '''

Το κανάλι Rohri είναι ένα κύριο συστατικό του γεωργικού τομέα στη Σινδ και είναι ένα τεχνητό κανάλι χτισμένο στο φράγμα Sukkur με 2,6 εκατομμύρια στρέμματα για άρδευση. Η περιοχή διοίκησης του καναλιού Rohri καλύπτει και παρέχει νερό σε μεγάλα τμήματα των εννέα περιοχών της Σινδ και βρίσκεται σε θερμό κλίμα με ετήσια βροχόπτωση που δεν υπερβαίνει τα 200 mm και ελάχιστη θερμοκρασία 18 ◦C. Οι κύριες καλλιέργειες που παράγονται σε αυτές τις περιοχές είναι το βαμβάκι και το σιτάρι. Το ρύζι καλλιεργείται επίσης σε αυτήν την περιοχή, αλλά δεν συγκαταλέγεται στις κύριες καλλιέργειες. 

''' 2.2. Μεθοδολογία '''

Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών ορίζεται ως η αναλογία της απόδοσης της καλλιέργειας διαιρούμενη με την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται για την παραγωγή της και υπολογίστηκε για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι για τη περίοδο Kharif (1998 και 2017) και Rabi (2014–2015 και 2016–2017). Μετρήθηκε σε kg/m3 και οι χρήσεις του νερού των καλλιεργειών, ή ETa, υπολογίζονται από δεδομένα τηλεπισκόπησης. Χρησιμοποιώντας δορυφορικά δεδομένα, η χρήση του νερού των καλλιεργειών μπορεί να μετρηθεί σε μεγαλύτερες χρονικές και χωρικές κλίμακες. Τα κρίσιμα δευτερεύοντα δεδομένα αυτής της μελέτης περιλαμβάνουν διαθεσιμότητα νερού στο κανάλι Rohri (εισροή), μοτίβο καλλιέργειας. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως η άρδευση, η γονιμότητα του εδάφους, ο έλεγχος παρασίτων και ασθενειών και συχνά αυξάνεται από οποιονδήποτε διαχειριστικό παράγοντα που βελτιώνει την παραγωγή των καλλιεργειών, καθώς η εξατμισοδιαπνοή είναι συνήθως λιγότερο αντιδραστική στις αλλαγές αυτών των παραγόντων από την απόδοση. Η παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών είναι απαραίτητη για την κατανόηση της σχέσης μεταξύ νερού και τροφής και οι τιμές της για το σιτάρι, το βαμβάκι και το ρύζι εκτιμήθηκαν χρησιμοποιώντας την εξίσωση (1): 

<center> ''' CWP = y (Yield) /ETa , (1) ''' </center>

όπου, η CWP είναι η Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών (kg/m3 ), το y αντιπροσωπεύει την απόδοση (kg/m2 ), το ETa είναι η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (m3/ha1). Για αυτήν τη μελέτη, η αρδευόμενη περιοχή και οι αποδόσεις σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού ελήφθησαν από το τμήμα υπηρεσιών αναφοράς καλλιεργειών στο Χαϊντεραμπάντ. 

''' 2.3. Σύνολα δεδομένων '''

''' 2.3.1. Δεδομένα καλλιεργειών '''

Τα δεδομένα για τις καλλιέργειες ελήφθησαν από τη στατιστική έκθεση της Σινδ και το τμήμα γεωργίας.

''' 2.3.2. Μάσκες καλλιέργειας '''

Η μάσκα καλλιέργειας μπορεί να οριστεί ως η χωρική πληροφορία της κατανομής των διαφόρων καλλιεργειών. Οι μάσκες καλλιέργειας για σιτάρι (2013–2014) και βαμβάκι και ρύζι (2014–2015) αναπτύχθηκαν από τον Οργανισμό Τροφίμων και Γεωργίας και το Υπουργείο Γεωργίας των Ηνωμένων Πολιτειών ως μέρος του έργου «Γεωργικό Πληροφοριακό Σύστημα - Δημιουργία επαρχιακής ικανότητας στο Πακιστάν για την εκτίμηση, την πρόβλεψη και την αναφορά των καλλιεργειών με βάση την ολοκληρωμένη χρήση των δεδομένων τηλεπισκόπησης». Οι δορυφορικές εικόνες SPOT-5 έχουν χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή αυτών των μάσκες καλλιέργειας. 

''' 2.3.3. Αναφορά Εξατμισοδιαπνοή '''

Για την εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς (ETr), υποθέσαμε ότι η γη ήταν καλυμμένη με γρασίδι και υπολογίσαμε την εξατμισοδιαπνοή από αυτό το γρασίδι. Για τη λεκάνη του Ινδού, σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιούνται τιμές αναφοράς εξατμισοδιαπνοής χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Penman–Monteith.

''' 2.3.4. Δεδομένα Τηλεπισκόπησης '''

Οι εικόνες Landsat λαμβάνονται από την πύλη Earth Engine Evapotranspiration Flux (EEFlux), η οποία παρέχει επεξεργασμένες εικόνες Landsat 5 και 8. Βασίζεται στη χαρτογράφηση της εξατμισοδιαπνοής σε υψηλή ανάλυση με εσωτερικοποιημένη βαθμονόμηση και η διαδικασία που βασίζεται στην εικόνα Landsat λειτουργεί στο σύστημα Google Earth Engine. Η χρονική ανάλυση είναι 16 ημέρες με χωρική ανάλυση 30 m. Χρησιμοποιώντας την εξίσωση Penman-Monteith για αναφορά της καλλιέργειας μηδικής, το EEFlux περιλαμβάνει σύστημα αφομοίωσης δεδομένων γης της Βόρειας Αμερικής για την εκτίμηση ET (ETr) αναφοράς. Τα έτη 1998, 2017, 2014–2015 και 2016–2017 επιλέχθηκαν με βάση τις χαμηλές και υψηλές ροές που προέκυψαν από τα δεδομένα ροής χρησιμοποιώντας την ανάλυση συχνότητας. 

''' 2.3.5. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Το EEFlux παρέχει βαθμονομημένες εικόνες που αποδίδουν μια τιμή ETr σε κάθε εικονοστοιχείο και η τιμή της πραγματικής ETa εξατμισοδιαπνοής ανά ημέρα υπολογίστηκε πολλαπλασιάζοντας την ETr και την πιθανή εξατμισοδιαπνοή ETo. Εικόνες και μάσκες καλλιέργειας Landsat εξήγαγαν ETr από τις καλλιέργειες σιταριού, βαμβακιού και ρυζιού. Οι ημερομηνίες αναφοράς του παράγοντα εξατμισοδιαπνοής (ETrf) επιλέχθηκαν από τα Πρότυπα του Τμήματος Άρδευσης της Σίντ και από τη χρονική περίοδο των σταδίων ανάπτυξης της καλλιέργειας από την αρχική έως την ωριμότητα. Ωστόσο, κάθε καλλιέργεια έχει διαφορετικές χρονικές περιόδους ανάπτυξης. Το ETa θεωρείται ως κατάλοιπο του ενεργειακού ισοζυγίου της επιφάνειας. Δίνεται στην Εξίσωση (2).

<center> ''' LE = Rn − H − G, (2) ''' </center>

όπου, LE είναι η λανθάνουσα ροή θερμότητας Rn είναι καθαρή ακτινοβολία G είναι ροή θερμότητας του εδάφους και H είναι αισθητή ροή θερμότητας. Ο ETrF (συντελεστής εξατμισοδιαπνοής αναφοράς) υπολογίστηκε με την Εξίσωση (3) και η σωρευτική ETa για κάθε εποχή υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας την Εξίσωση (4) για διαφορετικές φάσεις ανάπτυξης της καλλιέργειας, συμπεριλαμβανομένων των σταδίων Αρχικής, Ανάπτυξης, Ανθοφορίας και ωριμότητας. Η μέση πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) όλων των σταδίων πολλαπλασιάζοντας τα ETrF και ETr με συγκεκριμένες ημέρες και πάρτε τις μέσες τιμές όλων των pixel. 

<center> ''' ETrF = ETa ETr(Re f erence ET) , (3) ''' </center>

<center> ''' ETseason = ETrFseasonΣ n q ETr−24, (4) ''' </center>

όπου, το ETrf αντιπροσωπεύει το ET αναφοράς για μια συγκεκριμένη περίοδο σταδίου ανάπτυξης. Το ETr−24 είναι ένα ημερήσιο ET αναφοράς για συγκεκριμένο αριθμό ημερών. Το n υποδηλώνει αριθμό ημερών. Τιμές ETr της απαιτούμενης περιοχής εντολής καναλιού. 

''' 2.4. Ημερολόγια καλλιεργειών '''

Το ημερολόγιο καλλιεργειών διαφέρει για διαφορετικές περιοχές αλλά και από καλλιέργεια σε καλλιέργεια, όπως το σιτάρι που καλλιεργείται στο Rabi και το βαμβάκι που καλλιεργείται στο Kharif. Για τον υπολογισμό της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (ETa) χρησιμοποιήθηκαν ημερολόγια καλλιέργειας για τις μεσαίες και κατώτερες περιοχές της Σίντ. Οι ημερομηνίες για το μεσαίο και το κάτω μέρος είναι διαφορετικές για τη σπορά και τη συγκομιδή. Το αρχικό στάδιο σποράς στην κάτω Σίντ ξεκινά ένα μήνα νωρίτερα από τη μεσαία Σίντ. Η καλλιέργεια σιταριού της εποχής Rabi ξεκινά τον Οκτώβριο και τον Νοέμβριο, αντίστοιχα, στα κάτω και στα ανώτερα τμήματα της επαρχίας. Αντίθετα, οι καλλιέργειες βαμβακιού και ρυζιού καλλιεργούνται την περίοδο Kharif από τον Απρίλιο. 

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΕΙΣ '''

''' 3.1. Το ποτάμι ρέει '''

Αξιολογήθηκαν οι ετήσιες εποχιακές ροές. Το εκατοστημόριο υπολογίζεται από αυτό το διάγραμμα ροής, το οποίο ρέει από το φράγμα Sukkur. Τα δεδομένα N Μέγιστης Ετήσιας Απόρριψης παρατίθενται στον παρακάτω πίνακα (για τη μεγαλύτερη κατάταξη ροής M = 1 και τη μικρότερη κατάταξη ροής M = n ή 21 σε αυτήν τη μελέτη). Ωστόσο, η εξίσωση (4α) δείχνει το μέσο διάστημα δύο εκφορτίσεων ίσου (ή μεγαλύτερου) μεγέθους σε χρόνια μεταξύ των εμφανίσεων που είναι γνωστό ως Διάστημα Υποτροπής (RI). 

<center> ''' RI = (Ν + 1)/Μ , (4α) ''' </center>

όπου, RI = Διάστημα υποτροπής, N = Μέγιστη Ετήσια Απόρριψη, Μ = Κατάταξη. Η εξίσωση (4β) μπορεί να ορίσει μια πιθανότητα ενός δεδομένου μεγέθους μιας πλημμύρας κάθε χρόνο.

<center> ''' P = (1/RI)× 100 , (4β) ''' </center>

Η εικόνα 3α δείχνει τα έτη και τις ροές της σεζόν Rabi από το 1998–1999 έως το 2018–2019 του Sukkur Barrage, ενώ οι τάξεις κατανεμήθηκαν και ταξινομήθηκαν σύμφωνα με τις ροές όπως υψηλή, μεσαία και χαμηλή. Η πιθανότητα υπέρβασης (P) έχει υπολογιστεί για την εποχή Rabi κατά την οποία καλλιεργούνται οι καλλιέργειες σιταριού. Υπήρξε υψηλή ροή το 2014–2015 και η μέση ροή καταγράφηκε το 2003–2004. Το έτος 2016-2017 θεωρήθηκε μέσης ροής και το 2001 το 2002 με την τελευταία κατάταξη, που θεωρήθηκε έτος χαμηλής ροής. Η εικόνα 3b παρουσιάζει την ανάλυση συχνότητας των ροών της εποχής Kharif από το 1998 έως το 2017 του φράγματος Sukkur. Οι ροές κατηγοριοποιήθηκαν ως υψηλές, μεσαίες και χαμηλές. Το 2010 Kharif το υγρό έτος λόγω της πλημμύρας του ποταμού, που προκαλεί ζημιές στη Σίντ. Ως εκ τούτου, το 1998 επιλέχθηκε ως το έτος υψηλής ροής (επόμενο υψηλότερο μετά το 2010). Το έτος μέσης ροής ήταν το 2017 και το έτος χαμηλής ροής ήταν το 2004. Σε αυτή τη μελέτη αναλύθηκαν καλλιέργειες ρυζιού και βαμβακιού που καλλιεργήθηκαν την περίοδο Kharif. 

''' 3.2. Πραγματική εξατμισοδιαπνοή '''

Υπολογίστηκε η πραγματική μηνιαία εξατμισοδιαπνοή, η οποία υπολογίζει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας (CWP). Μπορεί να παρατηρηθεί ότι το αρχικό στάδιο έχει το χαμηλότερο ETa, ενώ το στάδιο της ανθοφορίας έχει την υψηλότερη εξατμισοδιαπνοή αφού σε αυτό το στάδιο απαιτείται περισσότερο νερό για την ανάπτυξη των φυτών.

''' 3.2.1. Καλλιέργεια Σιταριού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή έχει υπολογιστεί χρησιμοποιώντας μάσκες καλλιέργειας για τα τέσσερα στάδια: αρχικό, ανάπτυξη της καλλιέργειας, ανθοφορία και ωριμότητα. Η εικόνα 4α απεικονίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της εποχής Rabi της καλλιέργειας σίτου, που υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας το ETrf και το ETr. Το ETa είναι χαμηλό στο αρχικό στάδιο, καθώς είναι το στάδιο της σποράς, ενώ το ETa ήταν υψηλότερο στο στάδιο της ανθοφορίας (2014–2015). Η εικόνα 4β δείχνει την τιμή ETa για την περίοδο 2016–2017, χαμηλότερη από την τιμή για την περίοδο 2014–2015.

''' 3.2.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (ETa) ήταν περισσότερο για την καλλιέργεια βαμβακιού παρά για το σιτάρι. Η Εικόνα 5a παρουσιάζει την ETa για την καλλιέργεια βαμβακιού της περιόδου Kharif του 1998 όταν η ροή ήταν υψηλή και η Εικόνα 5β δείχνει την υψηλότερη τιμή ETa για το 2017, υψηλότερη από το 1998. Το 2017 οι ροές ήταν κανονικές/μέτριες. Αυτό δείχνει ότι οι υψηλότερες ροές δεν συνδέονται απαραίτητα με υψηλότερες τιμές ETa. 

''' 3.2.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η εικόνα 6α απεικονίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας ρυζιού το 1998, την υψηλότερη μεταξύ άλλων καλλιεργειών όπως το σιτάρι και το βαμβάκι, καθώς το ρύζι καταναλώνει περισσότερο νερό. Ωστόσο, το ρύζι δεν είναι η κύρια καλλιέργεια της Σίντ. Η εικόνα 6β παρουσιάζει το ETa του Hyderabad, του Badin και του Matiyari για το 2017. Η καλλιέργεια ρυζιού καλλιεργείται στις συνοικίες της Σίντ, ωστόσο, απαγορεύεται στην Κάτω Σίντ λόγω λειψυδρίας. 

''' 3.3. Παραγωγικότητα Νερού Καλλιεργειών Κύριων Καλλιεργειών '''

''' 3.3.1. Καλλιέργεια Σιταριού (2014-2015 και 2016-2017) '''

Η μέση παγκόσμια CWP σιταριού είναι 0,86 kg/m3 έως 1,80 kg/m3. Υπάρχουν τρεις παγκόσμιες κατηγορίες για CWP σίτου: χαμηλή (<= 0,75 kg/m3), μεσαία (> 0,75 kg/m3 έως < 1,10 kg/m3) και υψηλή (>= 1,10 kg/m3). Για το Πακιστάν, η μέση CWP είναι 0,80 kg/m3 έως 0,91 kg/m3, η οποία εμπίπτει στη μεσαία κατηγορία. Υπήρξε υψηλότερη ροή το 2014-2015, ενώ το 2016-2017 ήταν μέτρια. Η μέση CWP για την καλλιέργεια σίτου ήταν 1,03 kg/m3 σε 2014–2015 και 1,02 kg/m3 το 2016-2017. Συνολικά, η CWP της καλλιέργειας σιταριού είναι κάτω από το αναφερόμενο εύρος, δηλαδή μεταξύ 0,32 kg/m3 έως 1,08 kg/m3. Λόγω της υπερχείλισης, της αλατότητας, των συνθηκών του εδάφους και της έλλειψης διαθεσιμότητας υπόγειων υδάτων, το CWP της Σινδ είναι μικρότερη από το Παντζάμπ. Η απόδοση σιταριού της Σινδ είναι 33% μικρότερη από την απόδοση σιταριού του Παντζάμπ.

''' 3.3.2. Καλλιέργεια Βαμβακιού '''

Η Εικόνα 8 αντιπροσωπεύει το CWP του βαμβακιού για την εποχή Kharif (1998 και 2017). Για τα έτη αυτά, οι τιμές CWP της καλλιέργειας βαμβακιού ήταν σταθερές. Οι μέσες CWP της περιοχής μελέτης των καλλιεργειών βαμβακιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,12 kg/m3 και 0,16 kg/m3,αντίστοιχα. Οι μέσες τιμές CWP για το βαμβάκι ήταν 0,22 kg/m3 και 0,26 kg/m3. Η χαμηλότερη CWP του Badin οφείλεται στην κακή ποιότητα της εικόνας, έτσι, έγινε δύσκολος ο υπολογισμός της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής και εφαρμόστηκαν διορθώσεις στο σύννεφο όπου η κάλυψη του νέφους ήταν περίπου 50%. 

''' 3.3.3. Καλλιέργεια Ρυζιού '''

Η Εικόνα 9 δείχνει την παραγωγικότητα του νερού της καλλιέργειας του ρυζιού που καλλιεργείται στην περιοχή μελέτης. Οι περισσότερες από τις καλλιέργειες που επιλέχθηκαν σε αυτή τη μελέτη είναι κύριες καλλιέργειες, εκτός από το ρύζι. Το ρύζι είναι μια από τις άλλες καλλιέργειες που η κυβέρνηση της Σινδ απαγόρευσε λόγω της έλλειψης νερού,ωστόσο, το ρύζι καλλιεργήθηκε το 1998 σε όλη τη Σινδ. Συνολικά, οι μέσες τιμές CWP ρυζιού το 1998 και το 2017 ήταν 0,32 kg/m3 και 0,54 kg/m3, αντίστοιχα. Δεδομένου ότι το ρύζι δεν απαγορεύτηκε το 1998 στην περιοχή μελέτης, το νερό για άλλες καλλιέργειες χρησιμοποιήθηκε για το ρύζι. Οι άλλες καλλιέργειες πήραν αρκετό νερό μετά τη διακοπή της καλλιέργειας ρυζιού.

''' 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Αυτή η μελέτη υπολόγισε την παραγωγικότητα του νερού των καλλιεργειών (CWP) του σιταριού, του βαμβακιού και του ρυζιού του Καναλιού Rohri, χρησιμοποιώντας δεδομένα τηλεπισκόπησης στο περιβάλλον GIS. Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή υπολογίστηκε για τις εννέα περιοχές για δύο εποχές Rabi (2014 -2015 και 2016–2017) και δύο εποχές Kharif (1998 και 2017). Τα έτη επιλέχθηκαν με βάση τις υψηλές και μέτριες ροές που περνούσαν από το φράγμα Sukkur. Το ETa ήταν υψηλότερο στην καλλιέργεια ρυζιού, ενώ ήταν μικρότερο από την καλλιέργεια βαμβακιού για την καλλιέργεια σιταριού, καθώς το ETa εξαρτάται από τον τύπο της καλλιέργειας, διότι ορισμένες καλλιέργειες χρειάζονται περισσότερο νερό από άλλες. Τα αποτελέσματα της μελέτης συνόψισαν ότι η εκτίμηση του πραγματικού ET είναι ζωτικής σημασίας για τη διαχείριση του νερού άρδευσης και των συνθηκών καταπόνησης των καλλιεργειών. Αυτή η χρήση του μοντέλου EEFlux για τη λήψη εικόνων ETrf είναι εφικτή για την επεξεργασία τους με ελάχιστη προσπάθεια. Η μέση CWP της καλλιέργειας σιταριού για την περίοδο 2014–2015 και 2016–2017 ήταν, αντίστοιχα, 1,03 kg/m3 και 1,02 kg/m3, ενώ η CWP αυξήθηκε το έτος 2014–2015 σε σύγκριση με το 2016–2017. Υπάρχει περιορισμός δεδομένων σε τρεις περιφέρειες (Matiyari, Tando Allahyar και Tando Muhammad Khan) σχετικά με την περιοχή καλλιέργειας και την παραγωγή βαμβακιού και ρυζιού το 1998, επομένως, υπολογίστηκε η μέσα CWP βαμβακιού και ρυζιού μόνο για έξι περιοχές. Το 1998, συνολικά, η CWP αυξήθηκε και για τις δύο καλλιέργειες, ωστόσο, το ρύζι έχει απαγορευτεί από την κυβέρνηση της Σίντ στην επαρχία Σιντ λόγω της έλλειψης νερού. Το ρύζι παίρνει περισσότερο νερό από άλλες καλλιέργειες και το εξοικονομημένο νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οικιακούς και βιομηχανικούς σκοπούς. Η CWP επηρεάζεται από γεωργικές πρακτικές που περιλαμβάνουν προετοιμασία γης, μεθόδους σποράς, ποιότητα σπόρων και εδάφους, εφαρμογή νερού και λιπασμάτων και έλεγχο ζιζανίων και παρασίτων. Η προτεινόμενη προσέγγιση είναι αρκετά εφικτή και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διαφορετικές περιοχές με διάφορες καλλιέργειες, ενώ προωθούνται τεχνικές τηλεπισκόπησης για την αποτελεσματική διαχείριση της φυτικής παραγωγής. 

[[category:Υδατικοί Πόροι]]
[[category:Γεωργία]]

Επιπτώσεις της αστικοποίησης στα υπόγεια ύδατα και στις αλλαγές θερμοκρασίας στην επιφάνεια : Μια μελέτη της πόλης Λαχόρη

2024-02-16T06:31:00Z

Stamatia Foufa:

'''Πρωτότυπος τίτλος:''' ''Impact of Urbanization on Groundwater and Surface Temperature Changes: A Case Study of Lahore City''

'''Συγγραφείς: ''' Huzaifah Zahran, Muhammad Zeeshan Ali, Khan Zaib Jadoon, Hammad Ullah Khan Yousafzai, Khalil Ur Rahman, Nadeem Ahmed Sheikh

'''Δημοσιεύθηκε: ''' ''Sustainability 2023, 15, 6864. https://doi.org/10.3390/su15086864''

'''Λέξεις κλειδιά: ''' Υδατικοί πόροι

'''Αντικείμενο εφαρμογής: ''' Μελέτη επιπτώσεων αστικοποίησης στα υπόγεια ύδατα και στις αλλαγές θερμοκρασίας '''

''' 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ '''

[[Αρχείο:Foufa_L_1.png | thumb| right|'''Εικόνα 1.''' '' Χάρτης τοποθεσίας της περιοχής μελέτης: (α) Χάρτης του Πακιστάν, (β) Χάρτης της επαρχίας Παντζάμπ με βάση τις περιφέρειες, (γ) Ειδικός χάρτης περιοχής μελέτης της Λαχόρης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_2.png | thumb| right|'''Εικόνα 2.''' '' Μεθοδολογία-Διάγραμμα ροής για την ερευνητική μελέτη, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_3.png | thumb| right|'''Εικόνα 3.''' '' (α) Απεικονίζει παραλλαγές χρονοσειρών της συνολικής αποθήκευσης νερού (TWS), (β) Απεικονίζει την αποθήκευση υπόγειων υδάτων (GWS), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_4.png | thumb| right|'''Εικόνα 4.''' '' Οι χρονικές διακυμάνσεις: (α) Υγρασία εδάφους, (β) Αποθήκευση νερού από θόλο (CWS), (γ) Επιφανειακό νερό (SW), πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_5.png | thumb| right|'''Εικόνα 5.''' '' Παραλλαγές χρονοσειρών GWS και Κατακρήμνισης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_6.png | thumb| right|'''Εικόνα 6.''' '' Δείχνει τη συσχέτιση των δεδομένων σταθμών παρακολούθησης υπόγειων υδάτων με GWS που βασίζεται στο GRACE σε δύο διαφορετικές τοποθεσίες, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_7.png | thumb| right|'''Εικόνα 7.''' '' Χάρτες κάλυψης γης για δεκαετία: (α) Χάρτης κάλυψης γης του 1990, (β) Χάρτης κάλυψης γης του 2000, (γ) Χάρτης κάλυψης γης του 2010, (δ) Χάρτης κάλυψης γης του 2020, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_8.png | thumb| right|'''Εικόνα 8.''' '' Χρονική αλλαγή της αστικής/δομημένης περιοχής, της βλάστησης και της άγονης γης, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

[[Αρχείο:Foufa_L_9.png | thumb| right|'''Εικόνα 9.''' '' Χάρτες θερμοκρασίας επιφάνειας γης για την περιοχή μελέτης: (α) Χάρτης του 1990, (β) Χάρτης του 2000, (γ) Χάρτης του 2010, (δ) Χάρτης του 2020, πηγή: [https://doi.org/10.3390/su15086864] '' ]]

Με την αυξανόμενη ζήτηση για γλυκό νερό λόγω της πληθυσμιακής αύξησης και της αστικοποίησης, η πίεση στους παγκόσμιους υπόγειους υδάτινους πόρους έχει αυξηθεί τρομερά. Η κύρια πηγή παροχής νερού στην αστικοποιημένη περιοχή είναι κυρίως τα υπόγεια ύδατα που χρησιμοποιούν για οικιακή χρήση ή φρεάτια. Η υπερβολική εξάρτηση και η εξόρυξη των υπόγειων υδάτων συχνά οδηγούν στην εξάντληση της αποθήκευσης των υπόγειων υδάτων στην περιοχή. Σχεδόν το 50% του συνολικού παγκόσμιου πόσιμου νερού, το 40% του νερού χρησιμοποιείται σε άρδευση και σχεδόν το ένα τρίτο του νερού που απαιτείται από τη βιομηχανία χρησιμοποιείται από τους υπόγειους υδάτινους πόρους παγκοσμίως. Τα υπόγεια ύδατα αποτελούν μέρος του οικοσυστήματος που εμποδίζει την εισχώρηση θαλασσινού νερού και διατηρεί τη βασική ροή στα περισσότερα ποτάμια, η οποία αποτελεί μέρος του παγκόσμιου υδρολογικού κύκλου. Οι δορυφόροι Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) παρείχαν μια νέα προοπτική σχετικά με τις μεθόδους για την ακριβή παρακολούθηση των πηγών υπόγειων υδάτων του κόσμου, καθώς παρατηρεί τις αλλαγές στα πεδία βαρύτητας που προκύπτουν από τις διακυμάνσεις της μάζας στην επιφάνεια της γης, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διαμόρφωση της Συνολικής Αποθήκευσης Νερού (TWS). Το TWS είναι ένας συνδυασμός υγρασίας εδάφους (SM), αλλαγής αποθήκευσης υπόγειων υδάτων (GWSC) και εξαρτήματα μάζας που μεταβάλλουν τη βαρύτητα, όπως αποθήκευση επιφανειακών υδάτων, πάγος και χιόνι. Το GWSC μπορεί περαιτέρω να απομονωθεί από το TWS εκτιμώντας μεμονομένα εξαρτήματα, όπως αποθήκευση SM και επιφανειακών υδάτων, με τη βοήθεια Μοντέλων Επιφανειών Γης Global Land Data Assimilation System (GLDAS). Με τη βοήθεια των δορυφόρων GRACE, είναι εύκολο να παρακολουθούνται οι υπόγειοι υδάτινοι πόροι μεγάλων περιοχών με πολύ λιγότερες προσπάθειες, ωστόσο, είναι δύσκολο να αξιοποιήσει τα περιορισμένα δεδομένα απευθείας για αποφάσεις διαχείρισης. Η ανάλυση μπορεί να βελτιωθεί ενσωματώνοντας διάφορες προσεγγίσεις ισοζυγίου ενέργειας και μάζας μαζί με τοπικές μετρήσεις με τα δεδομένα GRACE για την εκτίμηση της αλλαγής στη συνολική αποθήκευση νερού, η οποία μπορεί να χρησιμοποιείται ως αναπαράσταση της μεταβολής της μάζας των υπόγειων υδάτων. Οι αλλαγές στη μάζα των υπόγειων υδάτων μπορούν περαιτέρω να συνδεθούν με σημαντικές αλλαγές στις χρήσεις γης και την κάλυψη γης (LULC) παγκοσμίως. Αυτές οι αλλαγές στο LULC μπορούν να συνδεθούν άμεσα με τη επίδραση φυσικών και ανθρωπογενών δραστηριοτήτων, οι οποίες επηρεάζουν σημαντικά το οικοσύστημα αυτών των λεκανών απορροής. Αυτές οι δραστηριότητες συνεπάγονται υψηλή αύξηση της αστικοποίησης, με αποτέλεσμα να υπάρχει επιζήμια επίδραση στους υπόγειους υδάτινους πόρους καθώς μειώνει σοβαρά την ικανότητα επαναφόρτισης της λεκάνης απορροής. Επομένως, είναι σημαντικό να συμπεριληφθούν οι επιπτώσεις του LULC στις πηγές υπόγειων υδάτων ενώ αναλύονται οι αλλαγές στην αποθήκευση των υπόγειων υδάτων οποιασδήποτε λεκάνης απορροής. Το LST μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αποτελεσματική μέτρηση του αστικού κλίματος, δηλαδή το ποσοστό της αδιαπέραστης περιοχής είναι υψηλότερο σε μια αστική περιοχή και, ως εκ τούτου, η θερμοκρασία της επιφάνειας είναι υψηλότερη από ό, τι σε μια περιοχή με βλάστηση. Αυτό συμβαίνει επειδή διαφορετικές επιφάνειες έχουν διαφορετική θερμική ικανότητα. Έτσι, όταν δέχονται παρόμοια ηλιακή ακτινοβολία, παρουσιάζουν διαφορετικές επιφανειακές θερμοκρασίες. Αυτές οι αλλαγές πρέπει να διερευνηθούν μέσω των πιο πρόσφατων διαθέσιμων τεχνικών, συμπεριλαμβανομένων των Συστημάτων Γεωγραφικών Πληροφοριών (GIS) και της τηλεπισκόπησης. Με το αυξανόμενο φορτίο στις παγκόσμιες πηγές υπόγειων υδάτων ως αποτέλεσμα της υψηλής ζήτησης γλυκού νερού λόγω της αυξανόμενης αστικοποίησης, υπάρχει τεράστια πίεση στους υπόγειους υδάτινους πόρους σε χώρες όπως το Πακιστάν. Πάνω από το 60% του νερού που καταναλώνεται για άρδευση και σχεδόν το 90% του πόσιμου νερού εξάγεται από τα υπόγεια ύδατα. Πάνω από 1 εκατομμύριο φρεάτια έχουν εγκατασταθεί και αντλούν υπόγεια ύδατα από την επαρχία Παντζάμπ, η οποία έχει οδηγήσει σε σοβαρή εξάντληση των υπόγειων υδάτινων πόρων. Οι παρατηρήσεις που καταγράφονται από τα φρεάτια παρακολούθησης είναι η κύρια πηγή πληροφοριών που χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση των συστημάτων υπόγειων υδάτων. Επιπλέον, η έλλειψη επαρκούς παρακολούθησης των φρεατίων σε περιοχές μεγάλης κλίμακας θέτει ένα ερωτηματικό στην αξιοπιστία και τη διαθεσιμότητα των δεδομένων που απαιτούνται από τους διαχειριστές των υπόγειων υδάτων, ωθώντας την ερευνητική κοινότητα να επιδιώξει νέες μεθόδους. Οι τεχνικές GIS και τηλεπισκόπησης έχουν αρχίσει να αποδεικνύονται για να καλύψουν αυτό το κενό. Αυτή η μελέτη επικεντρώθηκε κυρίως στην επίδραση της αλλαγής της κάλυψης του εδάφους στις αλλαγές των υπόγειων υδάτων και περαιτέρω αξιολόγηση των επιπτώσεων της εξάντλησης των υπόγειων υδάτων. 

''' 2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ '''

''' 2.1. Περιοχή μελέτης '''

Η Λαχόρη είναι βιομηχανικός κόμβος και πρωτεύουσα της επαρχίας Παντζάμπ του Πακιστάν. Η συνολική ρύπανση στη Λαχόρη ήταν 6,3 εκατομμύρια το 1998 που αυξήθηκε σε 11,2 εκατομμύρια με ετήσια αύξηση 3% σύμφωνα με την πιο πρόσφατη απογραφή του 2017. Η περιοχή μελέτης βρίσκεται στην αριστερή όχθη του ποταμού Ράβι, με συνολική έκταση 1842 km2. Η γεωγραφική έκταση της Λαχώρης είναι 31◦130–31◦430 Β γεωγραφικό πλάτος και 74◦0 0–74◦39,50 Α γεωγραφικό μήκος. Από την άποψη του πληθυσμού, η Λαχόρη είναι η μεγαλούπολη της επαρχίας Παντζάμπ με περισσότερο από το 98% των ανθρώπων να ζουν σε αστικές περιοχές. Η Λαχόρη είναι γνωστή για την ιστορική της κουλτούρα, την υψηλή ακαδημαϊκή κοινότητα και την αλληλεπίδρασή της με τη γειτονική χώρα της Ινδίας. Η Λαχόρη έχει μια παλιά πολιτιστική κληρονομιά, η οποία προσελκύει το μεγαλύτερο μέρος του διεθνούς τουρισμού της περιοχής. Μετά τη συνθήκη του Ινδού για το νερό, η παροχή επιφανειακών υδάτων στο Παντζάμπ επηρεάστηκε σοβαρά και η Λαχόρη, που βρίσκεται στην όχθη του ποταμού Ράβι, ήταν μεταξύ των βασικών πόλεων που επλήγησαν. Η εισροή επιφανειακών υδάτων στη Λαχόρη μειώθηκε λόγω της μείωσης των εισροών από τον ποταμό Ράβι. Έτσι, για να ικανοποιηθεί η υψηλή ζήτηση νερού, το μεγαλύτερο μέρος του φορτίου μεταφέρθηκε στους υπόγειους υδάτινους πόρους της πόλης. Το 2014, υπολογίστηκε ότι η χρήση υπόγειων υδάτων στην πόλη ήταν περίπου 2,61 km3 ενώ η επαναφόρτιση ήταν μόνο 2,53 km3. Σχεδόν το 53% των υπόγειων υδάτων που εξορύσσονταν χρησιμοποιούνταν για οικιακούς σκοπούς, ενώ το υπόλοιπο 47% χρησιμοποιήθηκε για γεωργικούς, βιομηχανικούς και εμπορικούς σκοπούς. Η πόλη της Λαχόρης κατανέμεται σε εννέα διοικητικούς δήμους που διαχειρίζονται η διοίκηση τοπικής κλίμακας, δηλαδή, η δημοτική διοίκηση της πόλης και η περιοχή καντονιού του στρατού. Η χειμερινή περίοδος είναι από τον Νοέμβριο έως τον Μάρτιο και οι πιο κρύοι μήνες είναι ο Δεκέμβριος και ο Ιανουάριος με θερμοκρασία από 0 ◦C έως 3 ◦C. Τον Μάιο και τον Ιούνιο, με την υψηλότερη θερμοκρασία 48 ◦C, η μέση θερμοκρασία κατά τη διάρκεια της ημέρας στην περιοχή είναι από 40 ◦C έως 45 ◦C. Κατά τη διάρκεια της εποχής των μουσώνων, η Λαχόρη δέχεται υψηλές βροχοπτώσεις περίπου 600 mm τον Ιούλιο και τον Αύγουστο.

''' 2.2. Σύνολα δεδομένων '''

''' 2.2.1. Δεδομένα GRACE '''

Τα GRACE και GRACE-Follow On (GRACE-FO) είχαν ως στόχο τη μελέτη του παγκόσμιου κλίματος και της βαρύτητας της γης. Προηγούμενες μελέτες χρησιμοποιούσαν και τις δύο παρατηρήσεις, τα συνέκρινε με τα επί τόπου δεδομένα εδάφους και διαπίστωσε ότι οι προσεγγίσεις Mascon (MSC) συσχετίζονται περισσότερο με την παρακολούθηση των υπόγειων υδάτων. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήσαμε μηνιαία παγκόσμια δεδομένα MSC από το κέντρο επεξεργασίας δεδομένων του Κέντρου Διαστημικής Έρευνας. Το Mascon έχει χωρική ανάλυση 3 μοιρών τόξου σε όλη την επιφάνεια της γης, όμως αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε τα δεδομένα των 0,5 μοιρών με το φίλτρο βελτίωσης ανάλυσης ακτών. Τα δεδομένα έχουν εξαχθεί για την περιοχή μελέτης από παγκόσμια προϊόντα για την εύρεση της χερσαίας αποθήκευσης νερού από το 2003 έως το 2021.

''' 2.2.2. Στοιχεία GLDAS '''

Το Παγκόσμιο Σύστημα Αφομοίωσης Δεδομένων Γης (GLDAS) αναφέρεται στην επίγεια μοντελοποίηση που ενσωματώνει προϊόντα δορυφορικών δεδομένων και επίγειες παρατηρήσεις. Το GLDAS χρησιμοποιεί τέσσερα είδη μοντέλων επιφανειών γης, συγκεκριμένα το Mosaic, Noah, Variable Infiltration Capacity και Community Land Model. Αυτή η μελέτη χρησιμοποιεί τα δεδομένα που προέρχονται από το Noah με χωρική ανάλυση 0,25◦ × 0,25◦. Η αποθήκευση νερού στο θόλο, η υγρασία του εδάφους και το ισοδύναμο νερού χιονιού εξάγεται από το Noah από τον Ιανουάριο του 2003 έως τον Δεκέμβριο του 2021.

''' 2.2.3. Δεδομένα TRMM '''

Η αποστολή μέτρησης τροπικών βροχοπτώσεων (TRMM) είναι μια κοινή δορυφορική αποστολή της Ιαπωνικής Υπηρεσίας Αεροδιαστημικής Εξερεύνησης και της Εθνικής Υπηρεσίας Αεροναυπηγικής και Διαστήματος για να βρει τη βροχόπτωση για κλιματική έρευνα. Το προϊόν είναι διαθέσιμο σε παγκόσμια κλίμακα από 50◦ Β έως 50◦ Ν. Τα μηνιαία δεδομένα με χωρική ανάλυση 0,25◦ × 0,25◦ χρησιμοποιήθηκαν για αυτή η μελέτη.

''' 2.2.4. Δεδομένα Landsat '''

Για τη χαρτογράφηση εδαφών, η ανάλυση περιλαμβάνει εικόνες από το 1990, το 2000, το 2010 και το 2020. Τα δεδομένα λαμβάνονται από το Landsat 5 και το Landsat 8 με χωρική ανάλυση 30 m. 

''' 2.3. Μεθοδολογία '''

''' 2.3.1. GRACE Επεξεργασία '''

Οι μηνιαίες λύσεις GRACE Mascon μας δίνουν συνολική αποθήκευση νερού με μια
μέση τιμή 300 × 300 km.Τα δεδομένα αλλάζουν μέγεθος σε διαφορετικές αναλύσεις pixel, δηλαδή 1◦ και 0,5◦ μοίρες. Μέχρι τώρα, η υψηλότερη ανάλυση είναι 0,5 μοίρες. Σε αυτή την μελέτη, τα δεδομένα συνολικής αποθήκευσης νερού χρησιμοποιήθηκαν από το 2003 έως το 2021. Τα δεδομένα που βασίζονται στο GRACE είναι ένα παγκόσμιο προϊόν, επομένως τα δεδομένα της περιοχής μελέτης εξήχθησαν από ένα παγκόσμιο προϊόν. Τα δεδομένα GLDAS είναι διαθέσιμα στις 0,25 μοίρες, έτσι ώστε η διάσταση να είναι συνεπής και το μέγεθος των δεδομένων GRACE άλλαξε περαιτέρω σε 0,25 από 0,5 μοίρες. Η εξίσωση (1) δείχνει τον συνδυασμό των υπόγειων υδάτων και άλλων μεταβλητών στη συνολική αποθήκευση χερσαίων υδάτων. 

<center> ''' ΔTWS = (ΔGW) + (ΔSWE) + (ΔSM) + (ΔCWS), (1) ''' </center>

''' 2.3.2. Times Series Analysis of GRACE-Based GWS '''

Το GLDAS χρησιμοποιεί μοντέλα επιφάνειας γης για να βρει τη διαφορετική μεταβλητή ποσότητα αποθηκευμένου νερού. Τα δεδομένα GLDAS μετατρέπονται σε εκατοστά για να συνάδουν με τα δεδομένα GRACE. Επιπλέον, η χωρική ανάλυση είναι 0,25 × 0,25 μοίρες και η εξίσωση (2) χρησιμοποιείται για την εξαγωγή ανωμαλιών υπόγειων υδάτων. 

<center> ''' ΔGW = (ΔTWS) + ((ΔSWE) + (ΔSM) + (ΔCWS)), (2) ''' </center>

''' 2.3.3. Χαρτογράφηση κάλυψης γης '''

Διαφορετικοί ερευνητές χρησιμοποιούν πολλαπλούς ταξινομητές για ταξινομήσεις κάλυψης γης. Οι εικόνες υποβλήθηκαν σε προεπεξεργασία πριν από περαιτέρω ανάλυση. Ο ταξινομητής μέγιστης πιθανότητας λειτουργεί σε πολυμεταβλητές συναρτήσεις πυκνότητας πιθανότητας κλάσεων για κάθε εικονοστοιχείο. Το εικονοστοιχείο εκχωρείται στη συγκεκριμένη κατηγορία με μέγιστη πιθανότητα φασματικής ανάκλασης στην καθορισμένη τάξη εκπαίδευσης. Η περιοχή μελέτης χωρίζεται σε τέσσερις κύριες κατηγορίες: οικισμό, βλάστηση, άγονη γη και νερό. Συλλέχθηκαν δείγματα εκπαίδευσης για αυτές τις καθορισμένες τάξεις από τις οπτικές εικόνες Landsat-8 με την υποστήριξη πληροφοριών που είναι διαθέσιμες στο Google Earth. Συλλέχθηκαν δεκαέξι σετ δειγμάτων εκπαίδευσης για κάθε κατηγορία κάλυψης γης με εργαλεία ανάπτυξης περιοχής, όπως ο συνολικός αριθμός δειγμάτων εκπαίδευσης για δεδομένα Landsat-8. Με βάση τα συνολικά δείγματα εκπαίδευσης, 70% δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν για το μοντέλο και 30% χρησιμοποιήθηκαν για τη δοκιμή των αποτελεσμάτων του μοντέλου. Η συνολική ακρίβεια έχει αξιολογηθεί με βάση τα δεδομένα δοκιμών. 

''' 2.3.4. Θερμοκρασία επιφάνειας γης '''

Η συλλογική θερμοκρασία των ανέπαφων αντικειμένων στην επιφάνεια της γης είναι γνωστή ως θερμοκρασία της επιφάνειας της γης. Σε όλο τον κόσμο, οι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει πολλαπλές μετρήσεις στη θερμική υπέρυθρη ζώνη. Οι τιμές ελήφθησαν από τα TM, TM+ και OLI σύμφωνα με τη θερμική υπέρυθρη ζώνη με αθροιστική χωρική ανάλυση 30 m, αντίστοιχα. Η τιμή του ψηφιακού αριθμού (DN) κάθε εικονοστοιχείου μετατρέπεται σε φασματική ακτινοβολία χρησιμοποιώντας την εξίσωση (3). 

<center> ''' R = ((LMAX − LMIN)/255) × DN + LMIN, (3) ''' </center>

όπου, R είναι η φασματική ακτινοβολία, LMAX είναι 15.600 (φασματική ακτινοβολία του υψηλότερου DN), και το LMIN είναι 1,238 (φασματική ακτινοβολία του DN που έχει αντίστοιχη τιμή 1). Το DN είναι η ψηφιακή τιμή αυτού του συγκεκριμένου pixel. Το επόμενο βήμα είναι η μετατροπή σε θερμοκρασία χρησιμοποιώντας την εξίσωση (4).

<center> ''' LST = K2/(ln((K1/R) + 1)), (4) ''' </center>

Τα K1 και K2 έχουν τις τιμές 607,76 και 1260,56 για TM και ETM+, και οι αντίστοιχες τιμές OLI είναι 772,88 και 1321,07. Τελικά, το LST μετατράπηκε σε Κελσίου (◦C) από Kelvin.

<center> ''' LST (◦C) = T (K) − 273,15, (5) ''' </center>

''' 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ '''

''' 3.1. Παρακολούθηση ανωμαλιών υπόγειων υδάτων '''

Οι ανωμαλίες αποθήκευσης των υπόγειων υδάτων έχουν εξαχθεί από το GRACE με βάση τη συνολική αποθήκευση νερού και άλλες παραμέτρους από μοντέλα επιφάνειας γης GLDAS. Η περιοχή μελέτης της Λαχόρης έχει εξαντλήσει τους υπόγειους υδάτινους πόρους λόγω της υψηλής χρήσης υπόγειων υδάτων για τη γεωργία και της αστικοποίησης. Η μελέτη έλαβε τη χρονική διάρκεια από το 2003 έως το 2021. H συνολική αποθήκευση νερού στο μεγαλύτερο μέρος της περιοχής μελέτης αντιμετωπίζει συνεχείς φθίνουσες τάσεις. Οι χαμηλότερες τιμές αποθήκευσης υπόγειων υδάτων παρατηρούνται στην περίοδο πριν από τους μουσώνες ενώ έχει αυξηθεί σημαντικά τους μεταμουσώνες μήνες. Η διαρροή από επιφανειακά ύδατα και κανάλια είναι ένας παράγοντας που επηρεάζει την εισροή υπόγειων υδάτων και η μέση πτωτική τάση στην περιοχή είναι −1,2 cm ετησίως. Η Λαχόρη έχει υψηλό αριθμό υγρασίας εδάφους, που κυμαίνεται από -1,5 έως +2. Η υγρασία εδάφους είναι η πιο αποτελεσματική μεταβλητή για την παραγωγή σημάτων GRACE και το μέγεθος της έχει μειωθεί τα τελευταία χρόνια λόγω της αστικής επέκτασης στην περιοχή, η οποία είχε ως αποτέλεσμα τη μείωση του ρυθμού διείσδυσης, γεγονός που οδήγησε περαιτέρω σε μείωση της υγρασίας του εδάφους. Έχουν γίνει πολλές μελέτες για την αστική επέκταση της πόλης Λαχόρη, η οποία μετατράπηκε είτε από άγονη γη είτε από βλάστηση. Η Αποθήκευση νερού με θόλο κυμαίνεται από −0,004 έως +0,08 και εμφανίζει υψηλές τιμές στην αρχική περίοδο, οι οποίες μειώθηκαν τα τελευταία χρόνια, απεικονίζοντας μείωση της βλάστησης στην περιοχή μελέτης. Τα επιφανειακά ύδατα στην περιοχή μελέτης είναι λιγοστά. Οι βροχοπτώσεις έχουν υψηλές τιμές την εποχή των μουσώνων το 2013 και το 2014, συμβάλλοντας στην αύξηση των υπόγειων υδάτων στην περιοχή. Για την αποθήκευση υπόγειων υδάτων που βασίζεται στο GRACE, τα αποτελέσματα συσχετίζονται με τα δεδομένα των φρεατίων παρακολούθησης των υπόγειων υδάτων.

''' 3.2. Δυναμική αστικής επέκτασης και χαρτογράφηση κάλυψης γης '''

Η αναπτυξιακή ιστορία και ο σχεδιασμός χρήσης γης έχουν αναφερθεί σε αρκετές μελέτες για την πόλη της Λαχόρης αλλά αυτή η μελέτη ανέδειξε την επίδραση της αστικοποίησης στα υπόγεια ύδατα και την άνοδο της θερμοκρασίας τις τελευταίες δεκαετίες. Η αστική επέκταση είναι δύσκολο να προσδιοριστεί από μια σειρά χωρικών και χρονικών στοιχείων. Η σημαντική συμβολή στην αστική επέκταση στην πόλη της Λαχόρης είναι η μετανάστευση, η φυσική αύξηση και η συγχώνευση γειτονικών χωριών στην αστική περιοχή. Η απρογραμμάτιστη αστικοποίηση προκαλεί απρόβλεπτες μακροπρόθεσμες αλλαγές στο τοπίο της πόλης. Η διερεύνηση της υπάρχουσας οικολογικής κατάστασης της κάλυψης του εδάφους μιας περιοχής, ο εντοπισμός χωρικών και χρονικών αλλαγών είναι η πιο αποτελεσματική μέθοδος για την παρακολούθηση των διακυμάνσεων της γης. Η παρούσα μελέτη εξέτασε την αστική επέκταση από το 1990 έως το 2020 για να αξιολογήσει περαιτέρω τον αντίκτυπο της αστικοποίησης, μέσα από πολυφασματικές δορυφορικές εικόνες Landsat. Η ταχεία αύξηση του πληθυσμού των πόλεων και η αστική επέκταση είναι ο κύριος παράγοντας υψηλής εξόρυξης υπόγειων υδάτων. Η αστική επέκταση από το 1990 έως το 2020 έχει επηρεάσει σε μεγάλο βαθμό τη γεωργική περιοχή της Λαχόρης, καθώς η γεωργική περιοχή μετατρέπεται σε κατοικημένη περιοχή, η οποία επηρεάζει άμεσα και την άνοδο της θερμοκρασίας. Ο διαχωρισμός των χρήσεων γης περιλαμβάνει τρεις κατηγορίες: Άγονη γη, Γεωργική έκταση και Περιοχή χτισίματος. Η αστική επέκταση και άλλες υποδομές όπως η βιομηχανία ασκούν υψηλή πίεση στα υπόγεια ύδατα, καθώς επίσης, η αστική επέκταση επηρεάζει σημαντικά και τη βλάστηση. Kύρια αιτία αύξησης του αστικού πληθυσμού είναι η μετανάστευση από την ύπαιθρο προς την πόλη της Λαχόρη. 

''' 3.3. Αξιολόγηση της Χαρτογράφησης '''

Η άνοδος της θερμοκρασίας φαίνεται ξεκάθαρα στους χάρτες, κυρίως λόγω αστικοποίησης για τα έτη 1990, 2000, 2010 και 2020, με τη θερμοκρασία να κυμαίνεται από 15–41 ◦C, 17 44 ◦C, 21–45 ◦C και 23–47 ◦C, αντίστοιχα. Σε αυτή τη μελέτη, η πόλη της Λαχόρης είχε ελάχιστη θερμοκρασία 15 ◦C το 1990 και μέγιστη θερμοκρασία 47 ◦C το 2020. Ενώ η περιοχή είχε χαμηλή θερμοκρασία επιφάνειας λόγω της υψηλής βλάστησης που κάλυπτε την περιοχή μελέτης με την αστική επέκταση στην περιοχή, αυξήθηκε. Tο μεγαλύτερο μέρος της περιοχής πλέον είναι αστικοποιημένο και η περιοχή έχει πολύ υψηλή θερμοκρασία επιφάνειας με ελάχιστη περιοχή να καλύπτεται από βλάστηση. Οι πυκνοκατοικημένες εμπορικές, βιομηχανικές περιοχές έχουν υψηλότερες επιφανειακές θερμοκρασίες λόγω των αδιαπέραστων επιφανειών, καθώς οι τσιμεντένιες επιφάνειες απορροφούν και αποθηκεύουν θερμότητα κατά τη διάρκεια της ημέρας ενώ την απελευθερώνουν τη νύχτα.

''' 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ '''

Η μελέτη χρησιμοποίησε δεδομένα τηλεπισκόπησης για να βρει τη μείωση της αποθήκευσης των υπόγειων υδάτων και τη σύνδεσή της με την αστική επέκταση στη Λαχόρη. Η πόλη της Λαχόρης επεκτείνεται και η αστικοποίησή της καταναλώνει πολλούς φυσικούς πόρους στους οποίους η κύρια κατανάλωση είναι τα υπόγεια ύδατα. Στη Λαχόρη η αστική περιοχή αυξήθηκε από 659 km2 σε 1104 km2 και με τη συνολική αύξηση της αστικοποίησης αυξήθηκε και η θερμοκρασία της περιοχής. Η αύξηση της θερμοκρασίας δείχνει τις επιπτώσεις της αστικοποίησης καθώς και της κατανάλωσης των υπόγειων υδάτων. Η αύξηση της θερμοκρασίας μπορεί να οφείλεται στη μείωση της βλάστησης. 

[[category:Υδατικοί Πόροι]]