Εκτίμηση δυνητικών ζωνών υπόγειων υδάτων με χρήση τηλεπισκόπησης και GIS– χωριό Waghai, περιοχή Dang, Δυτική Ινδία
Από RemoteSensing Wiki
Εκτίμηση δυνητικών ζωνών υπόγειων υδάτων με χρήση τηλεπισκόπησης και GIS– χωριό Waghai, περιοχή Dang, Δυτική Ινδία
Πρωτότυπος τίτλος: Estimation of groundwater potential zones using remote sensing and geographical information system technique- Waghai Taluka, Dang district, Gujarat, Western India
Συγγραφείς: Vasu Pancholi, Vishal Chaudhary, Sunay Lakhmapurkar, Pruthul Patel, Rajan Rabari, Chinmay Dongare and Sumer Chopra
Δημοσιεύθηκε: Environmental Challenges, Δεκέμβριος 2022
Σύνδεσμος πρότυπου κειμένου: [1]
Λέξεις-Κλειδιά: Εξερεύνηση υπόγειων υδάτων, Τηλεπισκόπηση, Γεωγραφικό σύστημα πληροφοριών,Τεχνική AHP, Deccan παγίδες
Αντικείμενο Εφαρμογής
Τα υπόγεια ύδατα αποτελούν σημαντικό φυσικό πόρο και διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην οικονομία κάθε έθνους. Η περιοχή Dang που βρίσκεται στο νοτιοανατολικό τμήμα της πολιτείας Γκουτζαράτ, στη Δυτική Ινδία αντιμετωπίζει προβλήματα πόσιμου νερού σχεδόν κάθε καλοκαιρινή περίοδο παρότι δέχεται έντονες βροχοπτώσεις κατά τους χειμερινούς μήνες. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκε μια ολοκληρωμένη προσέγγιση για να ανακαλυφθούν οι πιθανές περιοχές υπόγειων υδάτων στην Waghai Taluka με βάση τη γεωλογία, τη γεωμορφολογία, την τεκτονική διάταξη, την παρούσα στατική στάθμη των υπόγειων υδάτων των πηγαδιών και το μήκος κλίσης της περιοχής.
Εισαγωγή
Τα υπόγεια ύδατα είναι ένας κρίσιμος φυσικός πόρος που παίζει σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη κάθε έθνους. Ωστόσο, τα εργαλεία της ανεξέλεγκτης εκμετάλλευσης και της κλιματικής αλλαγής είναι παράγοντες που μπορούν να οδηγήσουν σε σοβαρή ξηρασία. Επομένως, για να καταστεί βιώσιμος ο πόρος, η βασική απαίτηση είναι μια κατάλληλη στρατηγική σχεδιασμού πόρων. Η εμφάνιση, η κατανομή και η κίνηση των υπόγειων υδάτων επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από χαρακτηριστικά του εδάφους όπως η γεωλογία, η λιθολογία, το τεκτονικό πλαίσιο και η γεωμορφολογία της περιοχής και έτσι απαιτείται κριτική κατανόηση αυτών των παραγόντων. Σε αυτή την εργασία, μελετώνται οι σχέσεις μεταξύ των αποδόσεων των υπόγειων υδάτων και των υδρολογικών τους παραγόντων, συμπεριλαμβανομένου του Ψηφιακού Υψομετρικού Μοντέλου (DEM), της κλίσης, της ευθυγράμμισης, της γεωλογίας, του εδάφους, της καμπυλότητας, του ποταμού και της χρήσης γης και πραγματοποιείται επίσης η ανάλυση του εδάφους για την επικύρωση του αποτελέσματος. Τα εργαλεία τηλεπισκόπησης και GIS χρησιμοποιούνται για την προετοιμασία θεματικών χαρτών και την ενοποίηση διαφόρων παραμέτρων.
Περιοχή Μελέτης
Η περιοχή Dang στο Γκουτζαράτ βρίσκεται στο νότιο τμήμα της ηπειρωτικής χώρας Γκουτζαράτ και αποτελείται από τρία μεγάλα χωριά, το Ahwa, το Waghai και το Subir με τη μελέτη να περιορίζεται στο χωριό Waghai το οποίο βρίσκεται στο δυτικό τμήμα της περιοχής. Τα κυριότερα ποτάμια της περιοχής είναι η Purna, η Ambika, η Khapri και η Gira. Αυτοί οι ποταμοί σχηματίζουν κοιλάδες με μεγάλες πλαγιές προς τη δυτική πλευρά και καλύπτονται από πυκνή βλάστηση. Ένας αριθμός μικρών ρεμάτων συναντά αυτά τα ποτάμια στο δρόμο τους προς την Αραβική Θάλασσα. Γεωλογικά, η περιοχή αποτελεί παγίδες Deccan και σκληρό λατεριτικό έδαφος, έχει ξηρό κλίμα τους χειμώνες και δέχεται κατά μέσο όρο 1630 χιλιοστά βροχοπτώσεων από τον Ιούνιο μέχρι και τον Οκτώβρη.
Μεθοδολογία
Σκοπός της μελέτης ήταν η ταχεία εκτίμηση των δυναμικών ζωνών υπόγειων υδάτων χρησιμοποιώντας το GIS ως κύριο εργαλείο. Πέντε παράμετροι που θεωρούνται ότι ελέγχουν τη δυνατότητα μιας ζώνης είναι η γεωμορφολογία, η λιθοτεκτονική, η πυκνότητα του ποταμού, η πυκνότητα γραμμών και ο χάρτης κλίσης. Ακολουθώντας τη μέθοδο της Αναλυτικής Ιεραρχικής Διαδικασίας AHP που βασίζεται στη λήψη αποφάσεων πολλαπλών κριτηρίων (MCDM), δημιουργείται ένα βιβλίο εργασίας για τον υπολογισμό του βάρους κάθε θεματικού επιπέδου με βάση την κλίμακα Saaty 1–9 (Πίνακας 1). Το μεγαλύτερο βάρος αποδίδεται στη γεωμορφολογία της περιοχής. Ακόμη, με βάση τα σταθμισμένα και επαναταξινομημένα θεματικά στρώματα, εφαρμόστηκε λειτουργία σταθμισμένης επικάλυψης (overlay operation) στο ArcGIS και το ποσοστό επιρροής και η κατάταξη των κατηγοριών χαρακτηριστικών δίνεται σε κάθε θεματικό επίπεδο ράστερ για τη δημιουργία του χάρτη ζώνης δυναμικού υπόγειου νερού (GWPZM). Ερευνήθηκαν συνολικά 287 πηγάδια από 92 χωριά του Waghai Taluka και συγκεντρώθηκαν σχετικές πληροφορίες όπως το επίπεδο των υπόγειων υδάτων (GWL), το πάχος της κάλυψης του εδάφους, ο τύπος βράχου και η καλοκαιρινή κατάσταση για συσχέτιση και αλήθεια του εδάφους. Ο χάρτης GWL ετοιμάζεται με τη βοήθεια του εργαλείου παρεμβολής kriging στην πλατφόρμα GIS. Ο χάρτης κλίσης, το δίκτυο αποχέτευσης και οι γραμμώσεις εξάγονται από τα δεδομένα ψηφιακού υψομετρικού μοντέλου (DEM) ανάλυσης SRTM-30 m της περιοχής. Οι χάρτες αποχέτευσης και πυκνότητας γραμμών δημιουργήθηκαν χρησιμοποιώντας εργαλεία χωρικής ανάλυσης στο GIS. Τέλος, όλα τα θεματικά στρώματα μετατράπηκαν σε μορφή ράστερ και επαναταξινομήθηκαν με βάση το βάρος που τους αποδόθηκε.
Βάση δεδομένων για την εκτίμηση των δυναμικών ζωνών υπόγειων υδάτων
1.Γεωμορφολογία
Η γεωμορφολογία και τα υπόγεια ύδατα είναι οι δύο κλάδοι που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους ενώ μελετούν τις αλληλεπιδράσεις ποταμού-υπόγειου νερού, τη θέση και την εξέλιξη των υδροφορέων, την εξέλιξη του καρστ και της εδαφικής μορφής. Γεωμορφολογικά, το μεγαλύτερο μέρος της περιοχής μελέτης καλύπτεται από οροπέδιο υψηλής, μέτριας και χαμηλής ανατομής. Οι άλλες βασικές παράμετροι είναι τα αετώματα, οι πεδιάδες, το χαμηλότερο οροπέδιο με μέτρια ανατομή, η κορυφή του οροπεδίου, η κορυφογραμμή Dyke/sill. Οι πεδιάδες και τα αετώματα είναι σχετικά επίπεδες επιφάνειες που προκύπτουν από την υπολειμματική διάβρωση του βασαλτικού υλικού ή του διαβρωμένου πετρώματος (Singh et al., 2013), οι οποίες θεωρούνται οι πιο ευνοϊκές ζώνες για τη συσσώρευση υπόγειων υδάτων. Ο χάρτης ετοιμάστηκε στο ArcGIS χρησιμοποιώντας δεδομένα γεωμορφολογικού χάρτη Bhukosh (Εικόνα 1).
2. Λιθοτεκτονική
Ο λιθοτεκτονικός χάρτης ετοιμάστηκε και αυτός με ψηφιοποίηση κάθε λιθολογικής μονάδας/τύπου πετρώματος στο ArcGIS χρησιμοποιώντας δεδομένα λιθοτεκτονικού χάρτη Bhukosh (Εικόνα 2). Η περιοχή περιλαμβάνει λεπτόκοκκο και σε κάποια σημεία χονδρόκοκκο βασάλτη που παρουσιάζει θραυσμό. Οι διάσπαρτες εξάρσεις δολεριτικών αναχωμάτων που τείνουν προς τις κατευθύνσεις Β-Ν, ΑΝΑ-ΔΝΔ και ΒΔ-ΝΑ παρατηρούνται επίσης σε πολλά σημεία. Τα βασαλτικά πετρώματα έχουν χαμηλό πρωτογενές πορώδες και διαπερατότητα. Το δευτερογενές πορώδες στον βασάλτη αναπτύσσεται λόγω των καιρικών συνθηκών. Τα αναχώματα συμπεριφέρονται σαν αγωγοί για την κίνηση των υπόγειων υδάτων και λειτουργούν τόσο ως αναχώματα μεταφοράς όσο και ως αναχώματα φραγμού.
3. Κλίση
Η κλίση παρέχει ουσιαστικές πληροφορίες για τη φύση των γεωλογικών και γεωδυναμικών διεργασιών που λειτουργούν σε περιφερειακή κλίμακα. Η κλίση της περιοχής είναι σημαντική όσον αφορά τη διείσδυση και την απορροή των υπόγειων υδάτων. Ο χάρτης ποσοστιαίας κλίσης εξήχθη από τα δεδομένα DEM ανάλυσης SRTM-30 m χρησιμοποιώντας το εργαλείο κλίσης «χωρική ανάλυση» (spatial analysis) στο ArcGIS. Ο χάρτης κατηγοριοποιήθηκε σε 8 διαφορετικές κατηγορίες πρανών και η περιοχή χωρίζεται σε 5 κατηγορίες κλίσεων. Θεωρήσαμε το 0–3% ως «επίπεδη», το 3–10% ως «ήπια», το 10–20% ως «μέτρια», το 20–35% ως «απότομη» και περισσότερο από το 35% ως «πολύ απότομη κλίση» (Εικόνα 3). Στην περιοχή μελέτης, το 12,45% της έκτασης βρίσκεται στην κατηγορία των πολύ απότομων πλαγιών.
4. Πυκνότητα απορροής
Η πυκνότητα αποστράγγισης, αποκαλύπτει την ποσότητα (ή την πυκνότητα) των καναλιών σε μια λεκάνη απορροής. Προκύπτει διαιρώντας το συνολικό μήκος όλων των ποταμών σε μια λεκάνη απορροής με τη συνολική επιφάνεια της λεκάνης απορροής. Ο χάρτης πυκνότητας απορροής δημιουργήθηκε από τα δεδομένα DEM ανάλυσης SRTM-30 m (Εικόνα 4) χρησιμοποιώντας ένα εργαλείο πυκνότητας στο ArcGIS με το οποίο το εύρος πυκνότητας μπορεί εύκολα να ταξινομηθεί σύμφωνα με τις απαιτήσεις του χρήστη. Ο χάρτης ταξινομήθηκε σε τρεις κατηγορίες: «χαμηλή» (0–0,9 km/km2), «μέτρια» (0,9–1,8 km/km2) και «υψηλή» (1,8–2,74 km/km2). Στην περιοχή μελέτης, το 3,69% έχει υψηλή πυκνότητα αποστράγγισης.
5. Πυκνότητα γραμμώσεων
Οι γραμμώσεις είναι δομικά ελεγχόμενα γραμμικά ή καμπυλόγραμμα χαρακτηριστικά και μπορούν να αναγνωριστούν εύκολα από τις δορυφορικές εικόνες. Στο πλαίσιο των υπόγειων υδάτων, η γράμμωση ελέγχει την κίνηση των υπόγειων υδάτων και συνεπώς αυξάνει το δευτερογενές πορώδες μέσω δομικών χαρακτηριστικών όπως ρήγματα, αναχώματα κ.λπ. Ο χάρτης δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας το εργαλείο πυκνότητας «Spatial Analyst» στο ArcGIS και ταξινομήθηκε σε τρεις κατηγορίες: «χαμηλή» (0–0,6 km/km2), «μέτρια» (0,6–1,4 km/km2) και «υψηλή» (1,4– 3,7 km/km2) (Εικόνα 5).
6. Επίπεδο υπόγειων υδάτων
Πραγματοποιήθηκαν εκτεταμένες επιτόπιες εργασίες για την προετοιμασία μιας γεώτρησης στην περιοχής μελέτης. Η στατική στάθμη του νερού από 287 πηγάδια σε 91 χωριά για απογραφή πηγαδιών αποκτήθηκε κατά τον μήνα Αύγουστο. Αυτά τα δεδομένα με τη σειρά τους χρησιμοποιήθηκαν για την προετοιμασία ενός χάρτη της στάθμης των υπόγειων υδάτων (GWL) της περιοχής μελέτης. Σύμφωνα με το Central Ground Water Board (CGWB) το GWL στο χωριό εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την τοπογραφία, το ανάγλυφο, την κάλυψη του εδάφους ή των βράχων, την απόσταση από τα ρέματα και το υψόμετρο. Στο χωριό Waghai το GWL κυμαίνεται μεταξύ 0 m και 16 m. Γενικά, η βόρεια περιοχή έχει βαθύτερη στάθμη νερού λόγω έλλειψης γραμμώσεων, μεγάλης πυκνότητας ποταμών και μεγαλύτερες κλίσεις (Εικόνα 6).
Αποτελέσματα
Ο χάρτης ζώνης δυναμικού υπόγειων υδάτων δημιουργήθηκε με την εφαρμογή της σταθμισμένης ανάλυσης επικάλυψης σε ελεγχόμενα χαρακτηριστικά (weighted overlay analysis on controlling attributes) όπως γεωμορφολογία, πυκνότητα αποστράγγισης, κλίση, πυκνότητα γραμμών και γεωλογία στην πλατφόρμα GIS, ενσωματώνοντας όλα τα θεματικά στρώματα που προετοιμάστηκαν χρησιμοποιώντας τα ελεγκτικά χαρακτηριστικά στη μελέτη. Η τοπογραφία και η γεωμορφολογία παίζουν υποστηρικτικό ρόλο. Λαμβάνοντας υπόψη αυτό, παρόλο που η περιοχή φαίνεται να είναι γεωμορφολογικά δυναμική, τα πηγάδια είναι ξηρά. Διαπιστώθηκε ότι από τις 287 τοποθεσίες πηγαδιών, μόνο 126 πηγάδια κρατούν νερό όλο το χρόνο ενώ στα υπόλοιπα πηγάδια, το νερό στεγνώνει μέχρι τον Μάρτιο. Ακόμη, παρατηρώντας τον χάρτη GWL, τα υπόγεια ύδατα εμφανίζονται σε μεγαλύτερα βάθη, μεταξύ περίπου 8-15 m στα ΒΔ ενώ παράλληλα είναι διαθέσιμα σε μικρότερα βάθη 2–6 m στα νότια και τα κεντρικά μέρη της περιοχής, παρά τους υψηλούς λόφους. Φαίνεται ότι περίπου το 27% της περιοχής έχει GWL μεταξύ 0 και 2 m, περίπου 27% μεταξύ 2 και 6 m, 20% μεταξύ 6 και 10 m και μόνο περίπου το 4% εμφανίζει GWL σε μεγαλύτερα βάθη, μεταξύ 11 και 15 Μ. Όσον αφορά τη λιθοτεκτονική, έχει αποδοθεί με το χαμηλότερο βάρος 0,07 λόγω ομοιομορφίας στη λιθολογία της περιοχής μελέτης. Το μεγαλύτερο μέρος της περιοχής μελέτης καλύπτεται από τη βασαλτική ροή pahoehoe. Αποδόθηκε υψηλότερη κατάταξη όσον αφορά τις ζώνες δυναμικού υπόγειων υδάτων στη λιθολογία τις βασαλτικής ροής pahoehoe και AA βασαλτικής ροής. Στον αμυγδαλοειδή βασάλτη που υπάρχει σε μικρές περιοχές κυρίως στην κεντρική περιοχή αποδίδεται μέτρια κατάταξη και στην υπόλοιπη βασαλτική λιθολογία κατώτερη (εικόνα 2). Η πυκνότητα απορροής είναι ένας άλλος παράγοντας επιρροής με καθορισμένο βάρος 0,27. Η περιοχή υψηλής πυκνότητας απορροής (1,8–2,74 km/km2) που σημειώνεται με κόκκινο χρώμα αντιπροσωπεύει χαμηλή διείσδυση. Ως εκ τούτου, αποδίδεται η χαμηλότερη κατάταξη όσον αφορά τις ζώνες δυναμικού υπόγειων υδάτων. Η περιοχή χαμηλής πυκνότητας απορροής (0–0,9 km/km2) που σημειώνεται με μπλε χρώμα αντιπροσωπεύει υψηλή διείσδυση (εικόνα 4). Αυτές οι περιοχές είχαν την υψηλότερη κατάταξη και έχουν μεγάλη πιθανότητα να πάρουν υπόγεια ύδατα. Ο χάρτης κλίσης έχει βάρος 0,20 και παίζει σημαντικό ρόλο στη σήμανση των δυναμικών ζωνών υπόγειων υδάτων. Οι περιοχές που εμφανίζονται σε σκούρο καφέ χρώμα (Εικόνα 3) έχουν απότομη κλίση που αντιπροσωπεύει περιοχές υψηλής απορροής και περιοχές χαμηλής επαναφόρτισης. Εκχωρήθηκε η χαμηλότερη κατάταξη σε τέτοιες περιοχές. Οι περιοχές που φαίνονται με χρυσοκίτρινο χρώμα έχουν ήπιες κλίσεις που αντιπροσωπεύουν περιοχές χαμηλής απορροής και περιοχές με υψηλή επαναφόρτιση. Σε τέτοιες περιοχές αποδίδεται η υψηλότερη κατάταξη. Οι γραμμώσεις είναι οι αδύναμες ζώνες και οι πιθανές θέσεις για ρήγματα όπου εκχωρήθηκε πυκνότητα γραμμικής βαρύτητας 0,13. Ο χάρτης γραμμικής πυκνότητας κατηγοριοποιήθηκε σε τρεις κατηγορίες: υψηλή, μέτρια και χαμηλή. Η υψηλότερη κατάταξη αποδίδεται σε περιοχές με υψηλή πυκνότητα γραμμών (Εικόνα 5) και αυτές οι γραμμώσεις ελέγχουν την κίνηση των υπόγειων υδάτων. Η χαμηλότερη κατάταξη αποδίδεται σε περιοχές χαμηλότερης πυκνότητας γραμμών. Όλα τα παραπάνω θεματικά επίπεδα ενσωματώθηκαν σύμφωνα με το AHP και προκύπτει ένας χάρτης ζώνης δυναμικού υπόγειου νερού (GWPZM) που απεικονίζεται στην Εικόνα 7. Τα υπόγεια ύδατα ταξινομήθηκαν σε δυνητικές (ανοιχτό πράσινο) και μη δυνητικές (ροζ) ζώνες. Διαπιστώσαμε ότι περίπου το 89% της περιοχής μελέτης είναι δυναμικό όσον αφορά την αναζήτηση υπόγειων υδάτων. Αυτές οι περιοχές σημείωσαν υψηλές τιμές κατάταξης λόγω της παρουσίας αετωμάτων και της χαμηλής πυκνότητας απορροής. Παρατηρείται επίσης ότι η κλίση % σε τέτοιες περιοχές είναι χαμηλή. Το υπόλοιπο 11% της έκτασης βρίσκεται σε μη δυνητικές ζώνες για αναζήτηση υπόγειων υδάτων. Τέτοιες περιοχές υπάρχουν στις βόρειες και κεντρικές περιοχές και καλύπτονται ως επί το πλείστον με οροπέδια και έχουν χαμηλή πυκνότητα γραμμώσεων.
Συμπεράσματα
Οι ζώνες δυναμικού υπόγειου ύδατος που προέκυψαν, διασταυρώθηκαν απευθείας με τη στάθμη των υπόγειων υδάτων από υπάρχοντα δεδομένα φρεατίων όπου ταίριαξαν σε μεγάλο βαθμό. Έτσι, αυτή η μελέτη δείχνει ότι οι διαθέσιμες πληροφορίες σχετικά με τη γεωμορφολογία, τις γραμμώσεις, την απορροή και τις κλίσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον εντοπισμό περιοχών γης με υψηλό δυναμικό υπόγειων υδάτων και να αποτελέσουν σημαντικό εργαλείο στον μελλοντικό σχεδιασμό και διαχείριση των υπόγειων υδάτινων πόρων για την ανάπτυξη και τη βελτίωση της γεωργικής παραγωγικότητας.
