ΥΔΡΟΛΟΓΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΤΗ ΛΕΚΑΝΗ ΑΠΟΡΡΟΗΣ ΤΟΥ ΝΕΣΤΟΥ

Από RemoteSensing Wiki

Αγγλικός τίτλος: Remote Sensing and Geographical Information Systems for Hydrologic Modeling of a River Basin: The Nestos Case
Συγγραφείς:Ι. Γκανούλης, Χ. Σκουληκάρης, J. Monget
Έτος δημοσίευσης: 2008
Πηγή: http://www.topo.auth.gr/greek/ORG_DOMI/EMERITUS/TOMOS_TZIMOPOULOS/papers/Gkanoulis_Skoulikaris_Moget.pdf

Περίληψη

Οι εναλλακτικές επιλογές για νέα δημόσια και ιδιωτικά επενδυτικά προγράμματα στη διασυνοριακή μεταξύ Βουλγαρίας και Ελλάδας λεκάνη του ποταμού Μέστα/Νέστου περιλαμβάνουν νέες κατασκευές φραγμάτων, εκσυγχρονισμένα γεωργικά συστήματα άρδευσης, νέα τουριστικά θέρετρα καθώς και διάφορες εγκαταστάσεις για την αστική και βιομηχανική παροχή νερού. Αυτές οι εξελίξεις πρέπει να εφαρμοστούν και στα δύο μέρη της λεκάνης (Ελλάδα και Βουλγαρία), όπου υπάρχουν διαφορετικοί κοινωνικοοικονομικοί όροι και επομένως διαφορετικές προτιμήσεις και διαφορετικοί στόχοι. Οι εναλλακτικές επιλογές πρέπει να εξετάσουν τις περιβαλλοντικές συνέπειες, τις επιδράσεις στα οικοσυστήματα και την ανθρώπινη υγεία καθώς επίσης τους οικονομικούς και κοινωνικούς κινδύνους. Οι επιδράσεις στο περιβάλλον και η πρόληψη αυτών πρέπει να σταθμιστούν ενάντια στα οικονομικά οφέλη και τις κοινωνικές συνέπειες.

1. Εισαγωγή

Η διαχείριση υδάτων λεκανών απορροής ποταμών περιλαμβάνει μακροχρόνιες επενδύσεις (για παραγωγή υδροηλεκτρικής ενέργειας, για άρδευση, για τη διαχείριση των αποβλήτων ή για λόγους περιβαλλοντικής προστασίας) που έχουν όριο ζωής τα 50 ως 100 χρόνια. Είναι απαραίτητο να γίνει μελέτη των υδρολογικών χαρακτηριστικών της συγκεκριμένης λεκάνης που περιλαμβάνουν μακροχρόνιες προσομοιώσεις, χρησιμοποιώντας μαθηματικά μοντέλα για το κλίμα, την επιφανειακή και υπόγεια υδρολογία και τις γεωργικές πρακτικές καθώς και οικονομικάμοντέλα με ιδιαίτερη έμφαση την κατανάλωση ενέργειας, την τιμολόγηση ύδατος και την περιβαλλοντική διαχείριση, αποτελούν σημαντικούς παράγοντες για την ολοκληρωμένη μελέτη της διαχείρισης υδάτων μιας λεκάνης απορροής. Στη διασυνοριακή λεκάνη του ποταμού Μέστα/Νέστου η συστηματική μαθηματική προσομοίωση είναι ελλιπής τόσο από την Βουλγαρία όσο και από την Ελλάδα με μικρές εξαιρέσεις. Τα αποτελέσματα από τη χρήση της τηλεπισκόπησης σε συνδυασμό με τα συστήματα γεωγραφικών πληροφοριών 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.

2. Περιγραφή της περιοχής μελέτης

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. Η ποσότητα ροής ύδατος από τον ποταμό Μέστα προς την Ελλάδα ρυθμίζεται από μια διακρατική συμφωνία (Argiropoulos et al., 1996). μεταξύ Ελλάδας - Βουλγαρίας.

Σχήμα 1. Η περιοχή μελέτης με τον ανάγλυφο χάρτη ανάλυσης 1 km

3. Τηλεπισκόπηση και συστήματα γεωγραφικών πληροφοριών 3.1. Η συμβολή της τηλεπισκόπησης

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 απεικονιστούν το 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.

3.2. Η συμβολή των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (ΓΣΠ)

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. Οι παραγόμενοι χάρτες μπορούν να περιγράψουν τα ακατέργαστα στοιχεία ή τα στατιστικά αποτελέσματα που προκύπτουν, Σχήμα 2. (Ζhang and Goddard, 2003).

Σχήμα 2. Συνδυασμός τηλεπισκόπησης και ΓΣΠ για την απεικόνιση των υπολεκανών της υδρολογικής λεκάνης (Danko, 1992) .

4. Υδρολογική προσομοίωση λεκάνης 4.1. 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.</span></p>

Σχήμα 3. α) Προσαρμογή του καννάβου (grid) του μοντέλου MODCOU σε δορυφορική εικόνα NASA LANDSAT TM ανάλυσης 30 m, β) βαθμονόμηση του μοντέλου βάση των σταθμών Momina Kula (Βουλγαρία) και Τέμενος (Ελλάδα).

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.

4.2. 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).

Σχήμα 4. Προσομοίωση των φραγμάτων κατά την υπάρχουσα κατάσταση, αλλά και με την χρήση σεναρίων (αναπτυξιακά σχέδια, κλιματικές αλλαγές).

5. 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).