Η χρήση της τηλεπισκόπησης και GIS σε επίπεδο λεκάνης απορροής για αναλύσεις προβλημάτων ρύπανσης από μη σημειακές πηγές
Από RemoteSensing Wiki
Αντικείμενο Εφαρμογής: Η χρήση της τηλεπισκόπησης και GIS σε επίπεδο λεκάνης απορροής για αναλύσεις προβλημάτων ρύπανσης από μη σημειακές πηγές
Πρωτότυπος Τίτλος: The use of remote sensing and GIS in watershed level analyses of non-point source pollution problems
Συγγραφείς: Prakash Basnyat, L.D. Teeter, B.G. Lockaby, K.M. Flynn
Πηγή: Forest Ecology and Management 128 (2000) 65-73
[1]
Λέξεις Κλειδιά: Ποιότητα νερού, GIS. Νιτρικό άλας, Δασικά αποθέματα
Περίληψη
Τα χαρακτηριστικά της λεκάνης απορροής όπως η χρήση της γης, η κλίση, και τα χαρακτηριστικά του εδάφους επηρεάζουν την ποιότητα του νερού με τη ρύθμιση των ιζημάτων και των ιζημάτων χημική συγκέντρωση. Μεταξύ αυτών των χαρακτηριστικών, η χρήση γης και κάλυψη γης μπορεί να χειριστεί για να βελτιώσει το νερό ποιότητα. Αυτοί οι τύποι χρήσεων γης και κάλυψης γης μπορούν να χρησιμεύσουν ως μέσα κράτησης θρεπτικών ουσιών ή ως μετασχηματιστές θρεπτικών ουσιών ως διαλυμένοι ή τα αιωρούμενα θρεπτικά συστατικά κινούνται προς τη ροή. Η μελέτη αυτή εξετάζει μια μεθοδολογία για τον προσδιορισμό της ρύπανσης από νιτρικά άλατα εντός δεδομένης λεκάνης που βασίζεται σε χαρακτηριστικά λεκάνης απορροής. Σε αυτή τη διαδικασία, οι τύποι χρήσης γης και κάλυψης γης ήταν ταξινομημένοι και οι λεκάνες απορροής και οι συνεισφερόμενες ζώνες περιγράφτηκαν χρησιμοποιώντας εργαλεία ανάλυσης του συστήματος γεωγραφικών πληροφοριών (GIS) και τηλεπισκόπησης (RS). Έχει αναπτυχθεί ένα μοντέλο χρήση γης και κάλυψη εδάφους που υποδηλώνει ότι τα δάση λειτουργούν ως νεροχύτης και ως ποσοστό (ή μειώνεται η γεωργική γη), τα επίπεδα των νιτρικών θα μειωθούν. Στο μοντέλο, οι οικιστικές, αστικές και οι κατοικημένες περιοχές έχουν αναγνωριστεί ως ισχυροί συντελεστές νιτρικών αλάτων. Άλλοι συνεισφέροντες ήταν οπωρώνες και σειρές καλλιεργειών όπως και άλλες γεωργικές δραστηριότητες.
1. Εισαγωγή
Λόγω του γεγονότος ότι υπάρχει κάποια συσχέτιση μεταξύ της ρύπανσης και της χρήσης της γης, υπάρχει δυνατότητα βελτίωσης ποιότητα νερού με κατάλληλες πρακτικές διαχείρισης της γης. Από τη σκοπιά της χρήσης γης, γεωργικές δραστηριότητες έχουν χαρακτηριστεί ως σημαντικές πηγές μη σημείου πηγή (NPS) ρύπους (ιζήματα, ζώα απόβλητα, φυτικά θρεπτικά συστατικά, υπολείμματα καλλιεργειών, ανόργανα άλατα και μέταλλα, φυτοφάρμακα) και είναι γνωστό ότι επηρεάζουν την ποιότητα του νερού. Οι αστικές και οι κατοικημένες περιοχές είναι άλλος ένας κυρίαρχος παράγοντας στην παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων μη σημειακής πηγής(NPS) από την εκκένωση των υδάτων θύελλας. Ο η αδιαπερατότητα πολλών αστικών περιοχών αυξάνεται απόρριψη νερού-καταιγίδας, ακόμη και μικρές βροχές είναι ικανές πλύσης συσσωρευμένων ρύπων στην επιφάνεια του νερού. Οι αλλαγές στην ποιότητα του νερού μπορεί να υποδηλώνουν μια αλλαγή σε κάποια πτυχή του χερσαίου, παραλιακού ή εντός καναλιού οικοσυστήματος. Από την άποψη της ρύπανσης, μεταξύ των πολλά στοιχεία ποιότητας του νερού που σχετίζονται με οικολογικά υγιή συστήματα, όπως είναι το άζωτο. Η συγκέντρωση του αζώτου είναι συνάρτηση πολλαπλών παραγόντων ελέγχου και τα διαφορετικά ρεύματα έχουν διαφορετικό χαρακτήρα στο σύνολο των παραγόντων ελέγχου. Ένας από τους σημαντικούς παράγοντες είναι η βλάστηση, που μερικές φορές μπορεί να χρειάζεται για τη διατήρηση ή τη βελτίωση της ποιότητας του νερού. Τα τροπικά δάση μεταβάλλουν χημικά τις θρεπτικές ουσίες που μεταφέρονται σε υπόγεια ύδατα καθώς το νερό περνά μέσα από τα ριζικά συστήματα. Τα δάση απορροφούν θρεπτικά συστατικά κατά την ανάπτυξη τους και την προαγωγή της απονιτροποίησης με λεπτές αλλαγές στις οξικές-ανοξικές ζώνες. Ωστόσο, η παρουσία των παράκτιων δασών μπορεί να ρυθμίσει σημαντικά την ποσότητα αζώτου που φτάνει στα ρέματα από τις ορεινές περιοχές. Ο κύριος σκοπός αυτής της μελέτης ήταν η καθιέρωση των σχέσεων μεταξύ συγκέντρωσης νιτρικών στο νερό που προέρχονται από γεωργικές και αστικές περιοχές λόγω της επαφή αυτών των υδάτων με παράκτια δάση και υγρότοπους. Αυτό έγινε με τη χρήση της χρήσης γης και κάλυψης γης (LULC) σε μετρημένες συγκεντρώσεις θρεπτικών συστατικών σε ροή, χρησιμοποιώντας ένα λογισμικό GIS .Η περιοχή μελέτης (13.772 εκτάρια) καλύπτει ένα τμήμα της Δεξαμενή απορροής ποταμών ψαριών. Η λεκάνη απορροής του ποταμού Fish (40.852 εκτάρια) αρχίζει ακριβώς νότια του Bay Minette, Baldwin νομός, AL, και προς νότια κατεύθυνση. Ο Το Fish River τροφοδοτεί το Weeks Bay, το οποίο είναι μέρος του Bon Secour Bay, ένα υπο-εκβολές του Mobile Bay, το οποίο συνδέεται άμεσα με τον Κόλπο του Μεξικού.
2. Μέθοδοι
Οι δραστηριότητες πραγματοποιήθηκαν σε δύο φάσεις. Στην Φάση 1, όπου το νερό συλλέχθηκε και αναλύθηκε σε δείγματα ποιότητας. Από το Δορυφόρο ελήφθηκαν τα ψηφιακά δεδομένα, φωτογραφίες, ψηφιακά δεδομένα εδάφους, ψηφιακά δεδομένα μοντέλου ανύψωσης (DEM) και γεωλογικά ψηφιακά τα δεδομένα και έπειτα αναλύθηκαν. Στην Φάση 2, αναπτύχθηκε ένα απλό μοντέλο για να εκτιμηθεί η πιθανή θρεπτική ουσία Από τα αντιπροσωπευτικά παράκτια οικοσυστήματα καθορίστηκαν χρησιμοποιώντας προκαταρκτικές αναλύσεις δείγματος νερού, classi Εικασίες και όρια των λεκανών απορροής) κατά μήκος του παραπόταμοι του κόλπου Weeks.
2.1. Φάση 1
2.1.1. Ποιότητα νερού
Η επιφανειακή απορροή προσδιορίζεται κατά κύριο λόγο από βροχοπτώσεις, αν και είναι έντονη ένταση από το σύστημα εδάφους. Αρκετά χαρακτηριστικά ενός γεγονότος βροχόπτωσης είναι σημαντικά, συμπεριλαμβανομένων της έντασης βροχής, των βροχοπτώσεων, το βάθος πτώσης βροχόπτωσης και το χρόνο από την τελευταία βροχόπτωση, δηλαδή, η προηγούμενη περιεκτικότητα της υγρασίας του εδάφους. Υπάρχουν περιορισμένες μελέτες για το πώς η βροχόπτωση επηρεάζει την απώλεια θρεπτικών ουσιών. Οι εκτιμήσεις υποδεικνύουν την ισχυρή εξάρτηση από την απώλεια αζώτου στην ένταση της βροχόπτωσης. Δεδομένου ότι η περιοχή μελέτης καλύπτει μόνο ένα μικρό ποσοστό της λεκάνης του ποταμού, εκτός από ορισμένες τοπικές παραλλαγές όπως είναι οι βροχοπτώσεις και άλλοι κλιματολογικοί παράγοντες, υποτίθεται ότι είναι ομοιόμορφο.
Για τους σκοπούς της συλλογής δεδομένων για την ποιότητα των υδάτων, τα σημεία δειγματοληψίας τοποθετήθηκαν σε έναν τοπογραφικό χάρτη στο το σημείο ροής κάθε δείγματος λεκάνης απορροής και νερού που συλλέχθηκε από τα ρέματα σε αυτά τα σημεία τα δείγματα και ήταν δύο φορές την εβδομάδα κατά τη διάρκεια του χειμώνα και της άνοιξη. Το διάστημα δειγματοληψίας ήταν περίπου 2 εβδομάδες. Συνολικά, συλλέχθηκαν δείγματα νερού 23 φορές σε οκτώ διαφορετικές ανεξάρτητες λεκάνες για μια περίοδο 2 ετών. Η ανάλυση του δείγματος νερού διεξήχθη σε ένα σχολείο του δασικού εργαστηρίου, χρησιμοποιώντας χρωματογραφία ιόντων.
2.1.2. Οριοθέτηση λεκάνης
Μια λεκάνη είναι η πιο τηςπάνω περιοχή της κλίσης σε μια δεδομένη τοποθεσία. Ένα τέτοιο χαρακτηριστικό αναφέρεται επίσης ως λεκάνη απορροής και αποτελεί τμήμα μιας ιεραρχία κατά το ότι μια δεδομένη λεκάνη είναι γενικά μέρος μιας μεγαλύτερη λεκάνη απορροής. Η αύξηση του μεγέθους της λεκάνης επηρεάζει τη θρεπτική ουσία λόγω της αυξανόμενης ικανότητας για ιζήματα. Τα όρια της λεκάνης οριοθετήθηκαν αρχικά χειροκίνητα, κάνοντας συγκρίση με τα όρια που οριοθετούνται με τη χρήση 1: 24.000 δεδομένα μοντέλου ψηφιακής ανύψωσης όπου λαμβάνονται από η Γεωλογική Έρευνα των Η.Π.Α. Με βάση τα αποτελέσματα της έρευνας τα τελικά όρια λεκάνης οριοθετήθηκαν επαναφέροντας τα χειροκίνητα οριοθετημένα όρια χρησιμοποιώντας τις πληροφορίες από τον παραγόμενο υπολογιστή σύνορα.
2.1.3. Χρήση γης / κάλυψη γης (LULC)
Τα πρότυπα LULC για την περιοχή μελέτης προσδιορίστηκαν με την ερμηνεία ψηφιακών εικόνων (LANDSAT Thematic Mapper (TM) και SPOT πανχρωματικό δεδομένων. Η λειτουργία αυτή βασίστηκε στη σύνθετη της εικόνα που δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας τη χωρική ανάλυση του πανχρωματικού εικόνας SPOT εικόνας και της φασματική ανάλυση δεδομένων LANDSAT TM. Το σκεπτικό πίσω από τη δημιουργία ενός τέτοιου σύνθετου βασίζεται στο γεγονός ότι στο οπτικό περιεχόμενο του, οι εικόνες από απόσταση που ανιχνεύονται είναι συνάρτηση του συνδυασμού την επίδραση των ραδιομετρικών, χωρικών και φασματικών αναλύσεις του αισθητήρα. Η προφανής χωρική ανάλυση των πολυφασματικών ψηφιακών εικόνων και της ερμηνείας τους, έχει αποδειχθεί ότι ενισχύεται με τη συγχώνευση αυτών των δεδομένων με ψηφιακά δεδομένα υψηλότερης ανάλυσης.
Μια συγχώνευση πραγματοποιείται για να βοηθήσει στην οπτική ερμηνεία, και αυτό είναι σημαντικό για την λειτουργία, γιατί διατηρεί το μεγαλύτερο μέρος των αρχικών φασματικών πληροφοριών που μεγιστοποιεί το μέγεθος των χωρικών πληροφοριών από τη πηγή δεδομένων υψηλότερης ανάλυσης. Ο αναλυτής είναι στη θέση να χειριστεί τα δεδομένα, ανεξάρτητα από τη χωρική πληροφορία, διατηρώντας τη συνολική ισορροπία χρωμάτων του πρωτοτύπου. Οι ζώνες LANDSAT TM 4, 3 και 2 χρησιμοποιήθηκαν σε αυτή τη διαδικασία. Έτσι δημιουργήθηκε η σύνθετη εικόνα και βρέθηκε ότι είναι πολύ ανώτερη από τις ζώνες LANDSAT 4, 3, 2 σύνθετη εικόνα. Η ταξινόμηση έγινε με βάση τις πληροφορίες που ελήφθη κατά τη διάρκεια επισκέψεων. Όλη η επεξεργασία και οι αναλύσεις πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας το γεωγραφικό σύστημα υποστήριξης ανάλυσης πόρων(GRASS). Το κατεστημένο σύστημα ταξινόμησης, απασχολήθηκε με τέσσερις γενικές κατηγορίες: αστικές και οικιστικές γη, γεωργική γη. Δασικές εκτάσεις και οπωρώνες - δένδρα σπάρτα. Δασικές εκτάσεις, γεωργικές εκτάσεις και οπωροφόρα δέντρα οι καλλιέργειες ταξινομήθηκαν με βάση το διαφορετικό φασματικό τους φάσμα υπογραφή και χαρακτηριστικά. Μόνο η αστική και η κατοικημένη περιοχή με μια συστάδα τεχνητών χαρακτηριστικά εμφάνιζαν ξεχωριστή φασματική υπογραφή. Απομονωμένα ή διάσπαρτα σπίτια ή και τεχνητά χαρακτηριστικά ήταν δύσκολη η αναγνώρισή τους.
2.2. Φάση 2
2.2.1. Οριοθέτηση ζωνών ασφαλείας
Αρχικά δημιουργήθηκε μια ζώνη ασφαλείας για κάθε ρεύμα με βάση το έδαφος, την κλίση και τα χαρακτηριστικά τραχύτητας του το παραποτάμιο δάσος. Ο πυρήνας του μοντέλου είναι α (RBDE) που εκπονήθηκε από τον Phillips (1989α), η οποία αξιολογεί τη σχετική αποτελεσματικότητα των ενδιάμεσων ζωνών από την άποψη του υδρολογικού εδάφους χαρακτηριστικά, κάλυψη εδάφους και τοπογραφία. Το RBDE θεωρεί σχετικός χρόνος κράτησης πάνω από ένα φάσμα συνθηκών και όχι απόλυτο χρόνο κράτησης για ένα συγκεκριμένο υδρολογικό σύστημα. Συγκρίνει την ικανότητα ενός συγκεκριμένου φυτικού ζώνη για τη συγκράτηση της απορροής σε εκείνη της αναφοράς του χρήστη ζώνη ", παρέχοντας ένα ποσοτικό, αδιάστατο δείκτη της αποτελεσματικότητας της "ζώνης ασφαλείας".
2.2.2. Επιλογή ζώνης αναφοράς
Η "ζώνη αναφοράς" επιλέχθηκε με βάση δύο κριτήρια που προσδιορίστηκαν από τον Phillips. Πρώτον, μια αναφορά ζώνη παρέχει αποτελεσματική απόδοση κάτω του μέσου όρου συνθήκες αποστράγγισης. Δεύτερον, αντιπροσωπεύει μια «ζώνη αναφοράς» το τυπικό έδαφος, το κάλυμμα της επιφάνειας και το τοπογραφικό συνθήκες στην περιοχή μελέτης. Οι εκτιμήσεις της ζώνης αναφοράς υπολογίζονται με βάση το πρότυπο υδρολογική ανάλυση. Για τη μελέτη αυτή, η «ζώνη αναφοράς» σχεδιάστηκε επιλέγοντας τυπικές τιμές για τα χαρακτηριστικά του εδάφους που σχετίζονται με τα παράκτια εδάφη και τα παράκτια εδάφη μέση κλίση της περιοχής μελέτης. Το πλάτος της «ζώνη αναφοράς» για εξομοίωση ή κράτηση νιτρικών αλάτων κατά 90% εκτιμάται ότι είναι 33,5 μ. Τα πλάτη των «ζωνών ασφαλείας» υπολογίστηκαν όπως και οι «ζώνες προστασίας» γύρω από τις ροές μέσα σε κάθε λεκάνη και περιγράφτηκαν χρησιμοποιώντας λογισμικό ARC-INFO GIS.
2.2.3. Ο καθορισμός της "συνεισφοράς ζώνης"
Μία ζώνη ασφαλείας που υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας την εξίσωση της εικόνας 1
θα κρατήσει το 90% του νιτρικού άλατος που διέρχεται από αυτό εάν η ζώνη αυτή είναι δασική. Αλλά αν υπάρχουν και άλλα LULC μέσα στην εν λόγω ζώνη απομόνωσης, την αφομοίωση ή την κράτηση η αποτελεσματικότητα θα διακυβευτεί εξαιτίας του γεγονότος ότι διαφορετικά LULCs αφομοιώνουν ή κρατούν νιτρικά σε διαφορετικά τιμές. Ως εκ τούτου, αυτή η περιοχή μπορεί να χαρακτηριστεί ως συμβολή ζώνη'. Μια «συμβαλλόμενη ζώνη» ορίστηκε ως η ζώνη προστασίας που περιβάλλει το ρεύμα η οποία, ως αποτέλεσμα πρακτικών χρήσης γης και άλλων ανθρώπινες δραστηριότητες, συνεισφέρει θρεπτικά συστατικά και άλλα NPS σε επιφανειακά και υπόγεια ύδατα πηγές, οι οποίες καταλήγουν σε ρεύμα νερού. Η απενεργοποίηση της «συμβολής ζώνης» είναι σημαντική για τη μελέτη αυτή δύο λόγοι. Πρώτον, αναγνωρίζει ότι η αφομοίωση και η κράτηση επηρεάζονται από τύπους εδάφους, κλίσης και βλάστησης. Δεύτερον, αναγνωρίζει τη σημασία των χωρικών τοποθέτηση κάθε LULC μέσα σε μια λεκάνη απορροής. Η περιοχή και αναλογία κάθε LULC μέσα σε κάθε συνεισφορά ζώνη ".
2.2.4. Χρήση γης / κάλυψη γης και διασύνδεση ποιότητας νερού
Αυτή η εργασία ασχολήθηκε με το πρόβλημα της περιφερειακής μεταβλητότητας στην ποιότητα του νερού επιλέγοντας λεκάνες μέσα σε μια μεγαλύτερη λεκάνη απορροής και λαμβάνοντας υπόψη το πρότυπο LULC σε δύο κλίμακες: (α) ολόκληρη τη λεκάνη απορροής, β) την «συνεισφορά ζώνη». Το ζήτημα της σχέσης μεταξύ LULC και της ποιότητας του νερού που εξετάστηκε και στις δύο κλίμακες εφαρμόζοντας τεχνικές πολλαπλής παλινδρόμησης που εξετάζουν θρεπτικά συστατικά, οι συγκεντρώσεις ως εξαρτημένες μεταβλητές και οι αναλογίες των χρήσεων γης ως επεξηγηματικές μεταβλητές. Αυτές οι συγκρίσεις δεν απέδωσαν μόνο πληροφορίες σχετικά με τη σημασία της χωρικής θέσης του LULC, αλλά βοήθησε επίσης στην αναγνώριση της σχετικής σημασίας του διαφορετικές κατηγορίες χρήσης γης και κάλυψης γης ως συνεισφέρουσες θρεπτικές ουσίες. Η λειτουργική μορφή της σχέσης για καθεμία από τις δύο περιπτώσεις: (1) ολόκληρη κλίμακα λεκάνης και (2) Η κλίμακα «Ζώνη συμβολής» έχει ως εξής, όπου το NPSi είναι συγκέντρωση θρεπτικών ουσιών ή ιζημάτων στη λεκάνη i, το Landib ισούται με τη χρήση γης και γη κάλυψη σε μια λεκάνη i κάτω από τις υποθέσεις κλίμακας που περιγράφονται παραπάνω, το Α είναι ίσο με το σύνολο περιοχή σε μια δεδομένη λεκάνη απορροής ή συνεισφέροντα ζώνη i. NPSi=f(Landib/Ai)
3. Αποτελέσματα
3.1. Ανάλυση δείγματος νερού
Ανασκόπηση των αναλυτικών δεδομένων για τα επιφανειακά υδάτινα δείγματα δείχνουν τη διαφορά στη χημεία του νερού σε διαφορετικές λεκάνες, όπως φαίνεται στην εικόνα 3.
Επιπλέον, υπάρχει μεταβολή των θρεπτικών ουσιών μεταξύ των δύο δειγμάτων. Στο πρώτο έτος δειγματοληψίας, οι συγκεντρώσεις θρεπτικών ουσιών είναι σχετικά χαμηλότερες από ότι κατά τη διάρκεια του δεύτερου δείγματος έτος. Αυτό μπορεί να οφείλεται στη διαφορά του συνόλου της καθίζησης κατά τη διάρκεια της περιόδου δειγματοληψίας (περισσότερη βροχόπτωση κατά το δεύτερο έτος από ό, τι στο πρώτο έτος) και της αύξηση της καλλιέργειας βαμβακιού στην περιοχή (βαμβάκι απαιτεί βαριά εφαρμογή των νιτρικών λιπασμάτων). Κατά την πρώτη δειγματοληψία, παρατηρήθηκε μια κορυφή στα επίπεδα των νιτρικών στα τέλη Απριλίου, υποδεικνύοντας αύξηση της γεωργικής παραγωγής δραστηριότητες στις λεκάνες αυτές. Αυτό το φαινόμενο παρατηρήθηκε επίσης κατά το δεύτερο έτος. Αυτό υποδεικνύει τη σχέση με τις χρονολογικές δραστηριότητες χρήσης γης και τα χαρακτηριστικά λεκάνης απορροής. Τα νιτρικά, αν και συνήθως παρόντα σε χαμηλές συγκεντρώσεις σε φυσικό νερό, είναι συχνά το πιο άφθονη ανόργανη μορφή του αζώτου. Οι συγκεντρώσεις σπανίως υπερβαίνουν τα 10 mg / l και είναι συχνά λιγότερο από 1 mg / l, ειδικά σε περιόδους υψηλής πρωτογενούς παραγωγής. Συγκεντρώσεις ανόργανου αζώτου σε φυσικό νερό ποικίλλουν σημαντικά, αλλά είναι σπάνια μεγάλα σε αμόλυντα του νερού.
3.2. «Συνεισφορά ζώνης» χρήση γης / κάλυψη γης
Οι ζώνες μεταβλητού εύρους (buffer) γύρω από τις ροές στη κάθε λεκάνη δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της εξίσωσης της εικόνας 1. Πληροφορίες σχετικά με τη χρήση γης και κάλυψη γης για τις λεκάνες απορροής και οι «συνεισφερόμενες ζώνες» (πίνακας 3) από την κλασσική κάλυψη LULC χρησιμοποιώντας όριο λεκάνης και το όριο buffer ως κάλυψη, παρουσιάζονται στην εικόνα 3 και 4.
