Τηλεπισκοπική παρακολούθηση της διαπερατότητας λεκανών απορροής πολλαπλών κλιμάκων για αστική υδρολογική αξιολόγηση
Από RemoteSensing Wiki
Αντικείμενο Εφαρμογής: Τηλεπισκοπική παρακολούθηση της διαπερατότητας λεκανών απορροής πολλαπλών κλιμάκων για αστική υδρολογική αξιολόγηση
Πρωτότυπος Τίτλος: 'Remote sensing monitoring of multi-scale watersheds impermeability for urban hydrological evaluation'
Συγγραφείς: Zhenfeng Shao(1), Huyan Fu(1), Deren Li(1), Orhan Altan(2), Tao Cheng(1)
(1) State Key Laboratory for Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan 430079, China (2) Department of Geomatics Engineering, Istanbul Technical University, Turkey
Πηγή: Remote Sensing of Environment, Volume 232, October 2019, 111338 (1)
Λέξεις Κλειδιά: Αδιαπέρατες επιφάνειες, Αστικό υδρολογικό περιβάλλον, Τηλεπισκόπηση, Λεκάνη απορροής, πόλεις-σφουγγάρια
Περίληψη: Η αστική αδιαπέρατη επιφανειακή κάλυψη αποτελεί μια σημαντική παράμετρο για την κατανόηση των επιπτώσεων του υδροπεριβάλλοντος στη διαδικασία αστικοποίησης. Οι αδιαπέρατες επιφάνειες έχουν αλλάξει τις αστικές υδρολογικές διεργασίες, τη χωρική και χρονική κατανομή των υδάτινων πόρων και την ποιότητα του υδάτινου περιβάλλοντος, και οδήγησαν σε αύξηση της συχνότητας και της έντασης των αστικών υδάτων. Λαμβάνοντας υπόψη τις επιπτώσεις της αύξησης της αδιαπέρατης επιφάνειας στο αστικό υδρολογικό περιβάλλον, υπάρχουν δύο προβλήματα στην τρέχουσα έρευνα και εφαρμογή: (1) η αστική υδρολογική μοντελοποίηση και ο λόγος στεγανότητας υπολογίζονται σύμφωνα με πολυεπίπεδες διοικητικές μονάδες και όχι λεκάνες απορροής, και (2) ολόκληρο το αστικό υδρολογικό περιβάλλον είναι ένα οργανικό σύνολο, αλλά το σύστημα αστικών λεκανών απορροής εντός μιας πόλης δεν έχει παρακολουθηθεί δυναμικά λαμβάνοντας υπόψη τις παρακείμενες λεκάνες απορροής. Λαμβάνοντας υπόψη αυτά τα δύο προβλήματα, τα κύρια καινοτόμα σημεία σε αυτό το ερευνητικό έργο περιλαμβάνουν: (1) πρώτα, ορίζονται οι αστικές λεκάνες απορροής πολλαπλών κλιμάκων και οι λόγοι στεγανότητας υπολογίζονται σε επίπεδο λεκάνης απορροής πολλαπλών κλιμάκων για αστική υδρολογική μοντελοποίηση, και (2) με βάση την ανάλυση του αστικού ψηφιακού υψομετρικού μοντέλου (DEM), λαμβάνοντας υπόψη τη διασύνδεση πολλαπλών συστημάτων αστικών υδάτων υπολογίζοντας τις δυναμικές αναλογίες στεγανότητας, παρακολουθείται η δυναμική επίδραση των αστικών βροχοπτώσεων και των απορροών σε ολόκληρο το αστικό υδρολογικό περιβάλλον. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το συνολικό ποσοστό αδιαπέρατης επιφάνειας κάθε λεκάνης απορροής είναι ανάλογο με την απορροή. Το ποσοστό της αδιαπέρατης επιφάνειας φτάνει το 20% και η εκφόρτιση είναι υπερδιπλάσια από εκείνη όταν η διαπερατότητα είναι 4% Μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι σε επίπεδο λεκάνης απορροής όσο υψηλότερος ο βαθμός αστικοποίησης, τόσο μπορεί να οδηγήσει σε μεγαλύτερη αλλαγή στη συνολική απορροή, και στη συντομότερη εμφάνιση της παροχής αιχμής.
Αντικείμενο μελέτης: Η αστική επέκταση, που στοιχειοθετείται από την ανάπτυξη αδιαπέρατων επιφανειών (Impervious Surface Areas - ISA) (π.χ. στέγες, πεζοδρόμια, χώρους στάθμευσης και δρόμους) συνοδεύεται από τη μείωση των φυσικών εδαφών (π.χ. γεωργικές εκτάσεις, δασικές εκτάσεις και υδάτινα σώματα). Οι αδιαπέρατες επιφάνειες αυξάνουν τη διάρκεια, την ένταση και την ταχύτητα των επιφανειακών απορροών, μειώνουν τη ροή και την αναπλήρωση των υπόγειων υδάτων και αυξάνουν τη συχνότητα και τον όγκο της πλημμυρικής αιχμής. Η αστική αδιαπέρατη επιφάνεια αλλάζει την λευκαύγεια, την ειδική εκπομπή (specific emissivity) και την τραχύτητα της επιφάνειας τροποποιώντας τη δομή της αστικής επιφάνειας. Τα τελευταία χρόνια, οι αστικές πλημμύρες έχουν γίνει παγκόσμια ανησυχία σε διάφορες πόλεις σε όλο τον κόσμο λόγω των σημαντικών αρνητικών επιπτώσεων στη δημόσια υγεία, την οικονομική ανάπτυξη και την ποιότητα ζωής, ιδίως σε αναπτυσσόμενες χώρες όπως η Κίνα, η Ινδία, το Μπαγκλαντές, το Νεπάλ. Η παραδοσιακή λύση στην αντιμετώπιση των αστικών υδάτων καταιγίδας είναι η δημιουργία ενός γκρίζου συστήματος αποχέτευσης και η αύξηση των δικτύων αποχέτευσης και των διαμέτρων των αποχετεύσεων ομβρίων για γρήγορη αποστράγγιση του νερού καταιγίδας και στη συνέχεια αποθήκευση του σε εγκαταστάσεις κατάντη (USEPA, 2000) . Ωστόσο, η ταχεία απόρριψη των ομβρίων υδάτων θα προκαλούσε τεράστια επιβάρυνση για το σύστημα αποχέτευσης, προκαλώντας αστικές πλημμύρες, διάβρωση των ποταμών, αύξηση των αιωρούμενων στερεών και ρύπανση βαρέων μετάλλων. Για να επιλυθεί το ζήτημα της αστικής υπερχείλισης, προτάθηκε η κατασκευή “πόλεων-σφουγγαριών” στην Κίνα σύμφωνα με τις αρχές του LID (Low Impact Development). Η πόλη-σφουγγάρι (Sponge City), μια νέα έννοια της διαχείρισης των αστικών υδάτων, αναφέρεται στην πόλη με καλή ευελιξία για προσαρμογή στις περιβαλλοντικές αλλαγές και για την αντιμετώπιση φυσικών καταστροφών που προκαλούνται από βροχή. Ωστόσο, μέχρι σήμερα, μελέτες σεναρίων LID περιορίστηκαν σε μικρές κλίμακες (π.χ. πολεοδομικά τετράγωνα). Ο πολεοδομικός σχεδιασμός και η αστική διαχείριση συνήθως χρησιμοποιούν τα πολιτικά όρια και ο σχεδιασμός και η ανοικοδόμηση των Sponge Cities βασίζονται επίσης στα διοικητικά όρια. Ωστόσο, ο αστικός κύκλος νερού και η απορροή επιφανείας δεν ακολουθούν τα διοικητικά όρια. Δεδομένης της αυξημένης επίδρασης της αδιαπέρατης επιφάνειας στο αστικό υδρολογικό περιβάλλον, υπάρχουν δύο προβλήματα στην τρέχουσα έρευνα και εφαρμογή: (1) Σε μια πόλη, η τρέχουσα έρευνα και εφαρμογή βασίζονται σε πολυεπίπεδες διοικητικές μονάδες, όπως η διοικητική περιφέρεια της πόλης (νομός), το οδικό δίκτυο ή η κοινότητα, ως μονάδα ανάλυσης προσομοίωσης ή στατιστικής ανάλυσης, αλλά όχι στο εσωτερικό υδατικό σύστημα της πόλης για τη μελέτη του αστικού υδρολογικού μοντέλου. Εάν το ποσοστό διαπερατότητας μετράται σύμφωνα με τις διοικητικές μονάδες πολλαπλών επιπέδων και όχι από τις λεκάνες απορροής, δεν μπορεί να αντικατοπτρίζει τα πραγματικά χαρακτηριστικά των υδρολογικών αλλαγών εντός της πόλης. (2) Ο τρέχων σχεδιασμός των Sponge Cities δεν λαμβάνει υπόψη το συγκεκριμένο σύστημα αστικών υδάτων στο οποία ανήκει η πόλη, ούτε αναλύεται και μοντελοποιείται ολόκληρο το αστικό υδρολογικό περιβάλλον στο σύνολό του. Η στατιστική μονάδα αδιαπερατότητας στον πολεοδομικό σχεδιασμό θα πρέπει να βασίζεται στην λεκάνη απορροής ή σε πολλές λεκάνες απορροής. Η χρήση διοικητικών τμημάτων για τον υπολογισμό της στεγανότητας έχει μόνο μαθηματική σημασία και δεν έχει φυσική και οικολογική αξία. Για παράδειγμα, η επιφάνεια του νερού της πόλης Wuhan αντιπροσωπεύει το ένα τέταρτο της συνολικής έκτασης της κατοικημένης περιοχής. Εάν ληφθεί υπόψη μόνο το αδιαπέραστο ποσοστό της οικισμένης περιοχής, το πρόβλημα της υψηλής στεγανότητας της γης δεν μπορεί να προβληθεί. Λαμβάνοντας υπόψη το μέγεθος των κεφαλαίων και τα έργα ανακαίνισης, η πιλοτική περιοχή επιλέγεται συνήθως ανάλογα με τις ανάγκες των αστικών κατασκευών και των διοικητικών τμημάτων. Η πιλοτική ζώνη χρησιμοποιεί τη στεγανότητα της πιλοτικής περιοχής για μοντελοποίηση και ανάλυση. Επειδή δεν είναι ούτε ένα πλήρες υδατικό σύστημα ούτε μέρος ενός συγκεκριμένου υδατικού συστήματος, οι αστικές υδρολογικές επιδράσεις του σχεδιασμού και της μοντελοποίησης είναι δύσκολο να θεωρηθούν, επιστημονικά, ως ένα πλήρες υδατικό σύστημα. Αυτή η μελέτη δίνει έμφαση στο ποσοστό διαπερατότητας των λεκανών απορροής πολλαπλών κλιμάκων και τις παίρνει ως εισόδους για την αστική υδρολογική μοντελοποίηση. Επομένως, σε αυτήν τη μελέτη, προτείνεται ένα μοντέλο παρακολούθησης απορροής υδάτινων λεκανών πολλαπλών επιπέδων που βασίζεται στην ανάλυση της δυναμικής αδιαπέρατης επιφάνειας από το 1987 έως το 2017 ανά πενταετία.
Περιοχή μελέτης: Η περιοχή μελέτης, η Wuhan, βρίσκεται στην ανατολική πεδιάδα Jianghan στο μεσαίο τμήμα της Κίνας στους μεσαίους κλάδους του ποταμού Yangtze στη διασταύρωση των ποταμών Yangtze και Han (Εικόνα 1). Η πόλη καλύπτει έκταση 8.494 km2 με πληθυσμό 10,02 εκατομμύρια. Η Wuhan γνώρισε ταχεία αστική επέκταση τις τελευταίες τρεις δεκαετίες. Είναι από τις πρώτες πόλεις- σφουγγάρια στην Κίνα.
Μεθοδολογία: Σε αυτή τη μελέτη, η λεκάνη απορροής ορίζεται ως μονάδα αξιολόγησης του αστικού υδρολογικού περιβάλλοντος. Η λεκάνη απορροής είναι μια περιοχή, η οποία παρέχει τη θεωρητική και τεχνική βάση για τον υπολογισμό της απορροής των υδάτων. Έχει ένα χαρακτηριστικό πολλαπλής κλίμακας, και τελικά αποτελεί το κυκλοφορικό σύστημα ολόκληρης της πόλης. Με βάση αυτήν τη μονάδα αξιολόγησης, ορίζουμε το ποσοστό διαπερατότητας της λεκάνης απορροής και εκείνο ολόκληρου του συστήματος κυκλοφορίας νερού. Η τηλεσκοπική παρακολούθηση των πολλαπλών κλιμάκων λεκανών απορροής επιτρέπει την υδρολογική αστική αξιολόγηση. Αναπτύχθηκε ένα μοντέλο παρακολούθησης πολλαπλών κλιμάκων σε αστικές στεγανές λεκάνες απορροής ως εξής:
- Πρώτον, χρησιμοποιήθηκε η υπηρεσία δεδομένων με βάση την πλατφόρμα GEE. Τα δεδομένα Landsat από το 1987 έως το 2017 χρησιμοποιήθηκαν για εξαγωγή χαρακτηριστικών και οι εικόνες VHR από το Google Earth χρησιμοποιήθηκαν ως δεδομένα εκπαίδευσης και επικύρωσης, και στη συνέχεια ο ταξινομητής RF χρησιμοποιήθηκε για την εξαγωγή της αστικής αδιαπέρατης επιφάνειας.
- Δεύτερον, κατασκευάστηκαν οι πολυεπίπεδες λεκάνες απορροής και διαίρεσαν τις λεκάνες απορροής σε τέσσερα επίπεδα, λεκάνες απορροής κυττάρων, λεκάνες απορροής διοίκησης, δυναμικές λεκάνες απορροής και λεκάνη απορροής της πόλης, και στη συνέχεια αναλύθηκαν οι σχέσεις μεταξύ των αδιαπέρατων επιφανειών και των αστικών απορροών για καλύτερη κατανόηση του αστικού οικολογικού περιβάλλοντος, ειδικά για την πρόληψη και τον έλεγχο των αστικών κατακλυσμών.
- Τέλος, προσομοιώθηκε η διαδικασία συνεχούς απορροής σε διαφορετικούς βαθμούς αστικοποίησης στο ίδιο συμβάν βροχόπτωσης με δεδομένα υετού, ωριαίων και διαστημάτων 5 λεπτών στις 7 Ιουλίου 2013.
Αποτελέσματα: Για την προσομοίωση του υδρογραφήματος της αδιαπέρατης επιφάνειας σε επτά διαφορετικές περιόδους στο Wuhan από το 1987 έως το 1987 2017, χρησιμοποιήθηκαν τα ωριαία και 5-λεπτών δεδομένα υετού της 7ης Ιουλίου 2013, προκειμένου να ορίζεται η συνεχής διαδικασία απορροής σε διαφορετικά επίπεδα αστικοποίησης υπό το ίδιο συμβάν υετού. Όταν το ποσοστό της αδιαπέρατης επιφάνειας είναι 4%, το υδρογράφημα είναι μια σχετικά απαλή καμπύλη. Καθώς το ποσοστό της αδιαπέρατης επιφάνειας αυξάνεται, η καμπύλη αρχίζει να αυξάνεται και υπάρχει μια απότομη αύξουσα και φθίνουσα τάση (Εικόνα 4). Από τις 9:00 έως τις 12:00, παρατηρείται απότομη αύξηση και στη συνέχεια μείωση λόγω της αύξησης των βροχοπτώσεων. Η προσομοίωση του υδρογραφήματος γίνεται κάθε 5 λεπτά μεταξύ 9:00 και 12:00. Όταν το ποσοστό της αδιαπέρατης επιφάνειας φτάνει το 20%, η εκφόρτιση είναι υπερδιπλάσια από ότι όταν η διαπερατή αναλογία είναι 4%. Αυτό υποδηλώνει ότι με το ίδιο σύστημα αποχέτευσης, είναι απαραίτητο να απορρέει περισσότερο νερό σε μικρότερο χρονικό διάστημα. Η ποσότητα νερού που εισέρχεται στις χαμηλότερες εκτάσεις της λεκάνης απορροής του ποταμού αναμένεται να αλλάξει σε μέγεθος και διάρκεια και να αγγίξει την πλημμυρική αιχμή πολύ νωρίτερα. Ένας υψηλότερος βαθμός αστικοποίησης οδηγεί σε μια πιο απότομη καμπύλη καθώς και μεγαλύτερες αλλαγές στη συνολική απορροή.
Συμπεράσματα: Αυτή η μελέτη δείχνει ότι το GEE παρέχει μια βολική πλατφόρμα για ανάλυση χωρικής-χρονικής δυναμικής. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι διαπερατές επιφάνειες μπορούν να λειτουργήσουν ως αποτελεσματικός δείκτης για την αξιολόγηση και παρακολούθηση του αστικού υδρολογικού περιβάλλοντος. Η αυξημένη κατανομή των διαπερατών επιφανειών θα μειώσει ιδιαίτερα τον κίνδυνο αστικών πλημμυρών. Παρόμοιες εκτιμήσεις θα ήταν πολύτιμες για να αποκτηθούν πληροφορίες σχετικά με την ανάγκη συντήρησης, η οποία θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στον σχεδιασμό των πόλεων-σφουγγαριών για να διασφαλιστεί η μακροπρόθεσμη βιωσιμότητά τους. Παρουσίαζεται ένα αστικό μοντέλο παρακολούθησης απορροής λεκανών απορροής πολλών επιπέδων, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάλυση της σχέσης μεταξύ αδιαπέρατων επιφανειών και απορροών αστικών περιοχών σε λεκάνες απορροής πολλαπλών κλιμάκων. Για αυτόν τον σκοπό χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο INFOWORKS. Οι πιλοτικές πρακτικές στη Wuhan έδειξαν αστικό μετριασμό απορροής σε κλίμακα λεκάνης απορροής σε διαφορετικά επίπεδα. Η αναθεώρηση του υπάρχοντος πολεοδομικού σχεδιασμού και η ανασυγκρότηση θα προσφέρει σημαντικές ευκαιρίες για να εξερευνηθούν, οικολογικά, κρίσιμες πτυχές της περιβαλλοντικής βιωσιμότητας. Προς το παρόν, το πιο ισχυρό σύνολο δεδομένων είναι τα πολυ-χρονικά δεδομένα Landsat που διαθέτουν οι GEE ή USGS. Με την αυξανόμενη ζήτηση για παγκόσμιες αστικές περιβαλλοντικές εφαρμογές, η κοινή χρήση εικόνων τηλεπισκόπησης υψηλής ανάλυσης είναι αναγκαία. Περαιτέρω έρευνα περιλαμβάνει την εξαγωγή αδιαπέρατων επιφανειών υψηλότερης ακρίβειας σε πολλαπλές κλίμακες από εικόνες τηλεπισκόπησης χρονοσειρών υψηλής ανάλυσης, οι οποίες θα λειτουργήσουν ως παράμετροι παρακολούθησης νερού για τον πολεοδομικό σχεδιασμό.
