Υδρολογική Προσομοίωση Λεκάνης Απορροής: Η Περίπτωση του Νέστου
Από RemoteSensing Wiki
Υδρολογική Προσομοίωση της Λεκάνης Απορροής του Νέστου
Συγγραφείς: Ι. Γκανούλης, Χ. Σκουληκάρης, J. Monget
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Στη διασυνοριακή λεκάνη του ποταμού Μέστα/Νέστου η συστηματική μαθηματική προσομοίωση είναι ελλιπής τόσο από την Βουλγαρία όσο και από την Ελλάδα. Παρόλα αυτά, μερικές ερευνητικές ομάδες έχουν αρχίσει να αναπτύσσουν εργαλεία προσομοίωσης με σκοπό τη διερεύνηση της υδρολογίας του ορεινού όγκου της λεκάνης καθώς και την εξέταση της επιφάνειας επαφής μεταξύ γλυκού και θαλασσινού νερού στις παράκτιες λιμνοθάλασσες του δέλτα του Νέστου. Ωστόσο, αυτές οι προσπάθειες στερούνται τον κατάλληλο συντονισμό μεταξύ των ερευνητικών ομάδων και των αρμόδιων φορέων για τη συλλογή δεδομένων και τη διαχείριση λεκανών. Παρόμοια κατάσταση εμφανίζεται τόσο στη Βουλγαρία όσο και στην Ελλάδα. Η χρήση της τηλεπισκόπησης σε συνδυασμό με τα συστήματα γεωγραφικών πληροφοριών αποτελεί ένα σύγχρονο τρόπο μελέτης μιας λεκάνης απορροής, ιδιαίτερα όταν παρουσιάζει το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό να είναι διασυνοριακή. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν από την εφαρμογή των δύο προηγούμενων τεχνικών μπορούν να χρησιμοποιηθούν παράλληλα με μοντέλα υδρολογικής προσομοίωσης με σκοπό την προσομοίωση των επιφανειακών νερών του Νέστου καθώς και των φραγμάτων με απώτερο σκοπό την υλοποίηση σεναρίων σχετικά με τις μελλοντικές χρήσης γης, καθώς και των υδάτων.
ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΕΛΕΤΗΣ
Αρχίζοντας από ψηλά, από το βουνό Rila της Βουλγαρίας, ο ποταμός Μέστα εισάγει το δεύτερο μισό του ρεύματός του στην περιοχή της Ελληνικής Θράκης αλλάζοντας το όνομα του σε Νέστος. Στο τέλος, το βασικό υδατόρευμα ρέει πέρα από την πεδιάδα της Χρυσούπολης και επεκτείνεται ως δελταϊκό σύστημα, με τις λίμνες γλυκού νερού που διαμορφώνει ο ποταμός στο δέλτα του Νέστου [17]. Ολόκληρη η επιφάνεια απορροής του Μέστα/Νέστου είναι 5.751 τετραγωνικά χλμ από τα οποία τα 2.314 τετραγωνικά χλμ βρίσκονται στην Ελλάδα και τα υπόλοιπα στη Βουλγαρία, Σχήμα 1. Αυτή η διασυνοριακή λεκάνη ρυθμίζεται από μια διακρατική συμφωνία μεταξύ Ελλάδας - Βουλγαρίας για την ποσότητα ροής ύδατος από τον ποταμό Μέστα προς την Ελλάδα. Τα χαρακτηριστικά της συμφωνίας σχετίζονται με την κατανάλωση από τις δύο αυτές χώρες (Argiropoulos et al., 1996).
Το ανώτερο τμήμα της λεκάνης του Μέστα/Νέστου βρίσκεται κοντά στην Σόφια, πρωτεύουσα της Βουλγαρίας. Τα ύδατα πηγάζουν στα νοτιοδυτικά των βουνοκορφών Musala και Vihren (3000 m). Η κοιλάδα του Μέστα στη Βουλγαρία είναι μια φυσικά διατηρημένη περιοχή (πχ: εθνικό πάρκο Pirin) όπου ο τουρισμός αναπτύσσεται ραγδαία. Ο πληθυσμός της είναι διασκορπισμένος και αριθμεί περίπου 20000 κατοίκους. Όπως πολλές περιοχές στη Βουλγαρία, έτσι και στο Μέστα πραγματοποιείται μια γρήγορη αλλαγή προσανατολισμού από τις προηγούμενες δραστηριότητες (μεταλλεία ουράνιου). Η περαιτέρω χρήση των υδάτων, πέρα από τα υπάρχοντα υδροηλεκτρικά προγράμματα, συνδυάζεται με την ανάπτυξη στόχων περιβαλλοντικής προστασίας. Διάφορα αναπτυξιακά προγράμματα είναι σε εξέλιξη που το καθένα χρηματοδοτείται είτε από διεθνή ιδρύματα (Παγκόσμια Τράπεζα) είτε από την Ευρωπαϊκή Ένωση μέσω των προγραμμάτων PHARE. Η περιοχή της Θράκης στην Ελλάδα είναι μία από τις ταχύτερες αναπτυσσόμενες οικονομικά περιοχές των Βαλκανίων. Μεταμορφώνεται από μια απομακρυσμένη ανατολική συνοριακή ζώνη της Ευρώπης σε ένα σημαντικό οικονομικό σταυροδρόμι. Οι αυξανόμενες ανάγκες οδηγούν άμεσα σε νέους τρόπους χρήσης των νερών του ποταμού Νέστου. Αυτή η μελλοντική ανάπτυξη παράγει επίσης πολλαπλές κοινωνικο-οικονομικές πιέσεις (υποδομές εθνικών οδών και αερολιμένων, βιομηχανικής και αστικής ανάπτυξης γύρω από την Ξάνθη, γεωργία) που μπορούν να συγκρουστούν μακροπρόθεσμα με τη διαχείριση των προστατευμένων φυσικών υγρότοπων από Διεθνή (RAMSAR) και Ευρωπαϊκά προγράμματα (Natura 2000) στο δέλτα του Νέστου. Η μείωση της ποσότητας γλυκού νερού είναι ήδη εμφανής στο δέλτα, και οφείλεται στα φράγματα, στα αυξανόμενα προγράμματα άρδευσης και στις γεωτρήσεις στην ευρύτερη περιοχή του ποταμού Νέστου. Η ποιότητα ύδατος του ποταμού ελέγχεται σε μόνιμη βάση (http://www.minagric.gr./greek/2.9.3a.htmb).
Η συμβολή της τηλεπισκόπησης
Η δορυφορική τηλεπισκόπηση έχει αποδειχτεί ότι είναι ένα αποτελεσματικό και χρήσιμο εργαλείο για την παρακολούθηση του περιβάλλοντος. Η δορυφορική τηλεπισκόπηση βασίζεται στην παρατήρηση του γήινου περιβάλλοντος μέσω της μέτρησης της αλληλεπίδρασης μεταξύ του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου και των αντικειμένων που βρίσκονται στην επιφάνεια της γης. Στην περίπτωση της λεκάνης απορροής του Μέστα/Νέστου, η βασική απεικόνιση προέρχεται από εικόνες LANDSAT με ανάλυση 80 μέτρων προσαρμοσμένες στο Ελληνικό Γεωδαιτικό Σύστημα Αναφοράς EΓΣΑ 87 (Mugnier, 2002). Παρόλο που ένας χάρτης χρήσης γης Corine Land Cover (CLC) (Brown et al., 2002) ανάλυσης 250 μέτρων ήταν ήδη διαθέσιμος και για τις δύο πλευρές των συνόρων, δεδομένα LANDSAT έχουν χρησιμοποιηθεί προκειμένου να βελτιώσουν την υπάρχουσα χρήση γης (Σχήμα 2). Δύο εικόνες έχουν χρησιμοποιηθεί με διαχρονικό τρόπο, η πρώτη αφορά το καλοκαίρι του 1988 και η δεύτερη το χειμώνα του 1997 κατά τη διάρκεια της επίσημης λειτουργία των υδροηλεκτρικών φραγμάτων της ΔΕΗ στον Θησαυρό και την Πλατανόβρυση. Η πολύ-φασματική ταξινόμηση (multispectral classification) χρησιμοποιήθηκε προκειμένου να καθοριστούν οι κατηγορίες βλάστησης με ιδιαίτερη έμφαση στους ορεινούς όγκους της Βουλγαρίας. Όσον αφορά την περιοχή του δέλτα του Νέστου, απαιτήθηκε υψηλότερη ανάλυση προκειμένου να απεικονιστούντο αρδευτικό σύστημα και οι καλλιέργειες. Η τηλεπισκόπηση μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί προκειμένου να αξιολογηθεί η γενικότερη επίδραση της γεωργικής ανάπτυξης, χάρη στην ύπαρξη εικόνων από κατασκοπευτικούς δορυφόρους που πρόσφατα δόθηκαν για χρήση από το κοινό. Στην περίπτωση της δικής μας μελέτης, μία δορυφορική εικόνα CORONA (Altamaier and Kany, 2002) που χρονολογείται από το 1965 έχει ψηφιοποιηθεί με μία ανάλυση 10 μέτρων και έχει επιτυχώς τροποποιηθεί για την εισαγωγή της στη βάση δεδομένων GIS.
Η συμβολή των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (ΓΣΠ)
Τα ΓΣΠ αποτελούν τον αποτελεσματικότερο μηχανισμό για τη διαχείριση και χρήση πληροφοριών που είναι δομημένες στο χώρο. Τα γεωγραφικά δεδομένα μπορούν να συνδεθούν τόσο με τους φυσικούς πόρους, όσο και με κοινωνικοοικονομικά προβλήματα. Γενικά, τα δεδομένα που εμφανίζονται ως χάρτες και εικόνες μπορούν να περιγράψουν στοιχεία όπως την τοπογραφία, τον τύπο εδάφους, τη βλάστηση, τα ύδατα, τη χρήση γης, τη γεωλογία της επιφάνειας, τα διοικητικά όρια, την ιδιοκτησία της γης, τον πληθυσμός, την αξία εδάφους. Οι παραγόμενοι χάρτες μπορούν να περιγράψουν τα ακατέργαστα στοιχεία ή τα στατιστικά αποτελέσματα που προκύπτουν, Σχήμα 2. (Ζhang and Goddard, 2003).
Τα αποτελέσματα τόσο της τηλεπισκόπησης όσο και των ΓΣΠ αποθηκεύονται σε βάσεις δεδομένων και περιέχουν όλες τις απαραίτητες πληροφορίες όπως η χρήση γης, τη ροή του κυρίου ρεύματος καθώς και των παραπόταμων, τη γεωλογία και την τοπογραφία, πληροφορίες που χρησιμοποιούνται για την καλύτερη κατανόηση και απεικόνιση της λεκάνης. Επιπλέον, χρησιμοποιούνται ως δεδομένα εισόδου, είτε ακατέργαστα είτε σε άλλη μορφή, στο υδρολογικό μοντέλο.
Το υδρολογικό μοντέλο MODCOU
Το μοντέλο αυτό αναπτύχθηκε με την συνεργασία των Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) – Eau de Quebec, l’Orstom και του CIG (Ledoux et al., 1989, 2002). Ο σκοπός του μοντέλου είναι η προσομοίωση των επιφανειακών και των υπόγειων ροών σε στρωματομένους υπόγειους υδροφόρους ορίζοντες. Το μοντέλο χρησιμοποιεί τετραγωνισμένα κελιά (cells) διαφορετικού μεγέθους (Σχήμα 3α). Η προσομοίωση των επιφανειακών ροών σχετίζεται με το μοντέλο Cequeau.
Το κύριο χαρακτηριστικό της εφαρμοζόμενης μεθόδου είναι ο χωρισμός του υδρολογικού κύκλου σε ανεξάρτητα τμήματα. Το μοντέλο αποτελείται από πέντε διαφορετικές λειτουργικές διαδικασίες που διασυνδέονται μεταξύ τους για την προσομοίωση του υδρολογικού κύκλου: τη διαδικασία παραγωγής, που διαχωρίζει τη διήθηση, την απορροή, την εξατμισοδιαπνοή και την εδαφική συγκέντρωση υγρασίας ως αποτέλεσμα των ατμοσφαιρικών κατακρημνίσεων, τη διαδικασία επιφανειακής μεταφοράς, τη διαδικασία κίνησης σε μη κορεσμένες υπόγειες ζώνες, τη διαδικασία των υπόγειων ροών, και τη διαδικασία αλληλεπίδρασης μεταξύ υπόγειου υδροφορέα και ποταμού. Χρησιμοποιώντας ένα κλιμακούμενο σύστημα καννάβου (grid), το υδρολογικό μοντέλο MODCOU έχει βαθμονομηθεί (calibrated) με τη χρήση μηνιαίων μετρήσεων ροής του ποταμού από τους σταθμούς Momina Kula (Βουλγαρία) και Τέμενος (Ελλάδα) όπου μετρήσεις και δεδομένα βροχόπτωσης είναι διαθέσιμα.
Το μοντέλο προσομοίωσης φραγμάτων
Τα αποτελέσματα από την υδρολογική προσομοίωση χρησιμοποιήθηκαν για την μαθηματική προσομοίωση των φραγμάτων που βρίσκονται στην Ελληνική πλευρά. Το λογισμικό HEC-ResSim χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση της λειτουργικότητας των φραγμάτων (τεχνικά και οικονομικά) καθώς και την προσομοίωση του διαθέσιμου όγκου νερού, καθώς υπάρχει ανάγκη διασφάλισης της οικολογικής παροχής (6 m3/sec), αλλά και κάλυψη των αγροτικών απαιτήσεων σε νερό. Κατά την προσομοίωση των φραγμάτων, εκτός από την υπάρχουσα κατάσταση, έγινε προσομοίωση των μελλοντικών αναπτυξιακών έργων (εκτροπή νερού προς την πεδιάδα της Δράμας, κατασκευή του φράγματος του Τεμένους), αλλά και των μελλοντικών κλιματικών αλλαγών (Σχήμα. 4).
Συμπεράσματα
Στην περίπτωση των υδάτων του ποταμού Μέστα/Νέστου, η τηλεπισκόπηση συνδυασμένη με τα γεωγραφικά συστήματα πληροφοριών έχει να επιδείξει μοναδική χρησιμότητα στην προοπτική μιας ενοποιημένης διασυνοριακής υδρολογικής λεκάνης απορροής. Δεδομένα που έχουν προκύψει από τον συνδυασμό των δύο προηγούμενων εφαρμογών, χρησιμοποιούνται ως δεδομένα εισόδου στο υδρολογικό μοντέλο, δίνοντας ως αποτέλεσμα την επιφανειακή ροή. Κατά την προσομοίωση των φραγμάτων, ακολουθώντας το δυσμενέστερο σενάριο κλιματικής αλλαγής Α2, Hamburg World Data Center for Climate (CERA), παρατηρήθηκε πως τα φράγματα στον ποταμό Νέστο θα χρησιμοποιούνται μόνο για την κάλυψη των αρδευτικών αναγκών, αφού η διαθέσιμη ποσότητα ύδατος δεν θα επαρκεί για την παραγωγή ενέργειας. Το αποτέλεσμα του συνδυασμού της τηλεπισκόπησης, των Γ.Π.Σ και της υδρολογικής προσομοίωσης θα αναπτυχθεί και στο διαδίκτυο με τη βοήθεια της τεχνολογίας Mapserver, όπου ο χρήστης θα μπορεί να εφαρμόζει σενάρια βροχόπτωσης και να εκτιμά τόσο τα αριθμητικά αποτελέσματα όσο και τις γραφικές απεικονίσεις. Μια πρώτη εφαρμογή βρίσκεται διαθέσιμη στην διεύθυνση: http://socrates.civil.auth.gr/mapserver/map_mnhu/Data (Karakos et al., 2003).
