THE USE OF GEOGRAPHIC INFORMATION SYSTEM (GIS) AND REMOTE SENSING (RS) FOR POTENTIAL UNCONFINED GROUNDWATER IN STRUCTURAL AND VOLCANO LANDFORMS
Από RemoteSensing Wiki
ΣΥΓΓΡΑΦΕΙΣ: Haikal Muhammad IHSAN , Riko ARRASYID , Darsiharjo DARSIHARJO, Mamat RUHIMAT
ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙΔΙΑ: Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών, Τηλεπισκόπηση, Υπόγειο νερό
ΠΕΡΙΛΗΨΗ
Η βόρεια περιοχή Bandung περιλαμβάνει δύο ειδών γεωμορφές, το ηφαίστειο και τις τεκτονικές γεωμορφές. Ελεύθεροι υδροφόροι ορίζοντες έχουν γίνει πηγή νερού για τις καθημερινές ανάγκες των κατοίκων και στις δύο περιπτώσεις γεωμορφών. Για τον λόγο αυτό κρίθηκε απαραίτητο από την ομάδα μελέτης να χαρτογραφηθεί το δυναμικό των ελεύθερων υδροφόρων οριζόντων τόσο στην ηφαιστειακή περιοχή, όσο και στις τεκτονικές γεωμορφές, λόγω του σημαντικού ρόλου των πηγών για την τοπική κοινωνία και τους κατοίκους που ζουν στις περιοχές αυτές. Στην παρούσα μελέτη χρησιμοποιήθηκαν οι μέθοδοι της Διαδικασίας Αναλυτικής Ιεράρχησης (AHP), των γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών (GIS), και η τηλεπισκόπηση (RS) χρησιμοποιώντας τις μεταβλητές της πυκνότητας των γραμμών, της βροχόπτωσης, της κλίσης και του τοπογραφικού δείκτη υγρασίας (TWI). Ακόμη χρησιμοποιήθηκαν υδρογεωλογικές μέθοδοι, η πυκνότητα αποστράγγισης και οι χρήσεις γης. Το αποτέλεσμα δείχνει ότι κάθε μεταβλητή έχει λόγο συνέπειας (CR) κάτω από 0,1, με αποτέλεσμα οι μεταβλητές της έρευνας να είναι συνεπείς και κατάλληλες για περαιτέρω συζήτηση. Η ταξινόμηση των δυνητικών υπόγειων υδάτων χωρίζεται σε τρεις κατηγορίες: χαμηλή, μεσαία και υψηλή. Η έρευνα επαληθεύει ότι 147 πηγές εξαπλώνονται σε 86 μεγάλου υψομέτρου εδάφη, 55 μεσαίου υψομέτρου εδάφη και έξι πεδινά εδάφη. Αυτό το μοντέλο μπορεί να αποτελέσει μια εναλλακτική λύση για τη χαρτογράφηση των δυνητικών ελεύθερων υδροφόρων οριζόντων και στις δύο περιοχές (ηφαιστειακές και τεκτονικές).
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Η μοντελοποίηση των υπόγειων υδάτων στην ηφαιστειογενή περιοχή γίνεται συχνά με τη χρήση των γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών (GIS). Η προσέγγιση SIG είναι ικανή για τη μοντελοποίηση των υπόγειων υδάτων με βάση τις παραμέτρους που σχετίζονται με την ύπαρξη υπόγειων υδάτων, όπως η πυκνότητα αποστράγγισης, η κλίση, η πυκνότητα των γραμμών (Doke et al., 2021), η βροχόπτωση, το έδαφος, η γεωμορφολογία, η γεωλογία (Tamiru & Wagari, 2021), οι υδρολογικές συνθήκες και οι χρήσεις-καλύψεις γης (LULC) (El-Hadidy & Morsy, 2022). Επιπλέον, διάφοροι λιθολογικοί παράγοντες υποδεικνύουν την ύπαρξη υπόγειων υδροφορέων (Khakim et al., 2014). Η βόρεια περιοχή Bandung έχει διάφορα χαρακτηριστικά στην επιφάνεια της, καθώς βρίσκεται σε ηφαιστειακή περιοχή με ενεργά τεκτονικά πεδία, καθιστώντας τη μοντελοποίηση SIG κατάλληλη για εφαρμογή σε αυτή την περιοχή.
Για τη χαρτογράφηση των υπόγειων υδάτων χρησιμοποιούνται διάφορα μοντέλα και παράμετροι. Μια ασαφής ανάλυση έγινε για να ανιχνευθεί η ύπαρξη υπόγειων υδάτων στις ηφαιστειακές και τεκτονικές περιοχές με καλά αποτελέσματα στη λεκάνη Garut της Ινδονησίας (Ihsan et al., 2020). Οι ηχοβολισμοί ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης (ERS) μπορούν να εντοπίσουν υδροφόρες ζώνες στην προσχωματική επιφάνεια του ποταμού Porali, στο Πακιστάν (Mahmud et al., 2022). Η μέθοδος της αναλυτικής ιεραρχικής διαδικασίας (AHP) εφαρμόζεται συχνά στην περίπτωση δυνητικής υδροφορίας, τροποποιώντας το βάρος και τη βαθμολογία της θεματικής παραμέτρου. Η προσέγγιση AHP μπορεί επίσης να συνδυαστεί με τις μεθόδους των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (GIS), κάτι το οποίο συνέβη στις περιοχές Southern Western Ghats, Ινδία (Arulbalaji et al., 2019), Kancheepuram District, Tamilnadu, Ινδία (Saranya & Saravanan, 2020) και Muga Watershed, Abay Basin, Αιθιοπία (Melese & Belay, 2022).
ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ
Η περιοχή έρευνας βρίσκεται στη βορεια Μπαντούνγκ (KBU) και συγκεκριμένα στην δυτική επαρχία Ιάβα της Ινδονησίας. Με βάση αναλύσεις, η έκταση της KBU είναι 389598 km2, καλύπτοντας τέσσερις πόλεις και μία περιφέρεια. Σύμφωνα με την τοπική κυβερνητική πολιτική, τα σύνορα της KBU βασίζονται στις λειτουργίες και το περιβάλλον της οικοπεριοχής. Η παρούσα μελέτη χρησιμοποίησε τις μεθόδους της αναλυτικής ιεραρχίας (AHP), των γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών (GIS) και της Τηλεπισκόπησης (ΤΑ). Οι παράμετροι που χρησιμοποιήθηκαν ήταν η γραμμική πυκνότητα, η πυκνότητα αποστράγγισης, οι χρήσεις γης, η κλίση, η βροχόπτωση, ο τοπογραφικός Δείκτης Υγρασίας (TWI) και η υδρογεωλογία. Το GIS χρησιμοποιήθηκε για τη μοντελοποίηση των παραμέτρων των υπόγειων υδάτων. Παράλληλα, η RS χρησιμοποιήθηκε για την εξαγωγή δεδομένων από τις δορυφορικές εικόνες, και η AHP χρησιμοποιήθηκε για τη μοντελοποίηση του συνόλου των παραμέτρων για τον εντοπισμό του δυναμικού των υπόγειων υδάτων.
Πυκνότητα γραμμώσεων
Η πυκνότητα των γραμμώσεων αποτέλεσε μια από τις μεταβλητές για τον εντοπισμό των υπόγειων υδάτων, καθώς τα υπόγεια ύδατα συνήθως υπάρχουν σε τεκτονισμένες περιοχές. Όσο πιο πυκνό είναι είναι το δίκτυο των γραμμώσεων, τόσο πιο πιθανή είναι η ύπαρξη υπόγειου νερού (Epuh et al., 2020). Οι γραμμώσεις δύνανται να εξαχθούν από τα δεδομένα του ψηφιακού μοντέλου υψομέτρου (DEM) (Saint Jean Patrick Coulibaly et al., 2021), καθώς και από το DEMNAS το οποίο είναι ελεύθερα προσβάσιμο μέσω της ιστοσελίδας https://tanahair.indonesia.go.id/demnas/#/, το οποίο στη συνέχεια αναλύεται με τη χρήση του PCI Geomatics (Ihsan et al., 2020).
Πυκνότητα αποστράγγισης
Η πυκνότητα αποστράγγισης συνδέεται με την ύπαρξη υπόγειων υδάτων. Όσο πιο μικρή είναι η αποστράγγιση, τόσο μεγαλύτερη είναι η πιθανότητα ύπαρξης υπόγειων υδάτων, καθώς το νερό θα διεισδύει στο έδαφος (Razavi-Termeh et al., 2019).
Χρήσεις γης
Η μελέτη των χρήσεων γης μπορεί να εξαχθεί χρησιμοποιώντας μεθόδους τηλεπισκόπησης (RS) για την ταξινόμηση της γήινης επιφάνειας (Moodley et al., 2022). Τα δεδομένα χρήσεων γης υποβλήθηκαν σε επεξεργασία από την εικόνα sentinel-2B ανακτημένα από την ιστοσελίδα https://earthexplorer. Τα δεδομένα του sentinel-2B επεξεργάστηκαν για την δημιουργία χάρτη χρήσεων γης, χρησιμοποιώντας την επιβλεπόμενη ταξινόμηση με προσαρμοσμένη κλίμακα KBU. Οι απεικονιζόμενες χρήσεις γης ήταν δάση, ελώδεις εκτάσεις, φυτείες, θάμνοι, χόρτα, αγροί, υδάτινα σώματα, οικισμοί και βραχώδη εδάφη.
Κλίση
Το νερό ακολουθεί την δύναμη της βαρύτητας. Τα υπόγεια ύδατα βρίσκονται συνήθως σε επίπεδη ή μικρή κλίση. Ο χάρτης κλίσεων μπορεί να δημιουργηθεί με τη χρήση του DEM, αλλά στην πλαίσια της παρούσας μελέτης τα δεδομένα αντλήθηκαν από το DEMNAS. Η ανάλυση των κλίσεων πραγματοποιήθηκε μέσω του λογισμικού ArcGIS. Η ταξινόμηση της κλίσης που χρησιμοποιήθηκε ήταν 0-2% επίπεδη, 3-7% ήπια, 8-13% πιο ήπια, 14-20% ελαφρώς απότομη, 21-55% απότομη, 56-140% πολύ απότομη και >140% πολύ απότομη (van Zuidam, 1985).
Βροχοπτώσεις
Το λογισμικό ArcGIS αποτύπωσε τις βροχοπτώσεις χρησιμοποιώντας την τεχνική Inverse Distance Weighted (IDW). Η τεχνική IDW είναι μία χωρική προσέγγιση κατανομής των βροχοπτώσεων που συνήθως εμφανίζει υψηλή ακρίβεια, ωστόσο, τα αποτελέσματα εξαρτώνται από την ποιότητα της δεδομένων βροχόπτωσης. Τα βροχομετρικά δεδομένα εξάχθηκαν από τέσσερις σταθμούς και καλύπτουν την περίοδο 2004 έως 2021.
Τοπογραφικός δείκτης υγρασίας (TWI)
Ο τοπογραφικός δείκτης υγρασίας περιγράφει τον κορεσμό σε νερό μιας περιοχής, προσδιορίζοντας την ποικιλία των εδαφικών υλικών και τις υδρολογικές διαδικασίες (Grabs et al., 2009).
Ο εν λόγω δείκτης αναλύθηκε με τη χρήση του λογισμικού SAGA GIS, σε συνδυασμό με το ψηφιακό μοντέλο υψομέτρου στο DEMNAS.
Υδρογεωλογία (υδροφόρος ορίζοντας)
Στην παρούσα μελέτη, δεδομένα υδροφορίας ελήφθησαν από την Υπηρεσία Γεωλογίας, η οποία διαθέτει πληροφορίες για υδροφορείς χαμηλής και τοπικής κλίμακα, υδροφορείς με ευρεία κατανομή και περιοχές με σπάνια εμφάνιση υδροφορίας. Όσο πιο ευρεία και αποτελεσματική είναι η κατανομή του, τόσο πιο μεγάλη είναι η απόδοση του υδροφόρου, καθώς και η περιεκτικότητα του σε νερό.
Αναλυτική Διαδικασία Ιεράρχησης (AHP)
Η μέθοδος Αναλυτικής Διαδικασίας Ιεράρχησης (AHP) χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό της πιθανότητας ύπαρξης ελεύθερων υδροφόρων στην περιοχή του ηφαιστείου. Η μέθοδος αυτή είναι ένα μαθηματικό μοντέλο από την χαρτογράφηση αποφάσεων με πολλαπλά κριτήρια (Saaty, 1977). Τα βήματα της AHP αποτελούνται από την ιεράρχηση, τον προσδιορισμό των προτεραιοτήτων (βαθμολογίες και δείκτη βάρους), και τον προσδιορισμό του δείκτη συνέπειας.
Η βαθμολογία και οι δείκτες βάρους σε κάθε υπολογισμό της μεθόδου AHP, θα επεξεργάζονται μέσω μοντελοποίησης στο GIS για τον προσδιορισμό της δυναμικότητας των υπόγειων υδάτων.
ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ
Πυκνότητα γραμμώσεων
Τα αποτελέσματα του DEMNAS, έδειξαν την ύπαρξη 2,747 γραμμώσεων με μήκος 0,35 m s/d 3308,5 m. Το συνολικό μήκος των γραμμώσεων ήταν 1 544 485,27 m ή 1544,48 χλμ. Σύμφωνα με χειροκίνητο υπολογισμό, η τιμή πυκνότητας των γραμμώσεων ήταν 3,96 km2. Η χωρική ανάλυση έδειξε ότι το εύρος πυκνότητας των γραμμώσεων ήταν από 0 έως 8,75243 km2. Η μέση πυκνότητα γραμμής από λογισμικό ήταν 3,8 και η τυπική απόκλιση 1,75. Στις πληροφορίες του ράστερ, υπήρχαν 4034 στήλες και 2768 γραμμές.
Πυκνότητα αποστράγγισης
Ο υπολογισμός δείχνει ότι η πυκνότητα αποστράγγισης σε KBU κυμαίνεται από 0 έως 11,5569 km2. Η πυκνότητα αποστράγγισης της περιοχής εξαπλώνεται στη θέση έρευνας και είναι πιο ορατή στο μεσαίο τμήμα της KBU. Η πυκνότητα αποστράγγισης συνδέεται με την ύπαρξη υπόγειων υδάτων.
Χρήσεις γης
Στην περιοχή έρευνας, υπάρχουν εννέα είδη χρήσεων γης: τα υδάτινα σώματα, οι θάμνοι, τα δάση, οι φυτείες, έλη, οικισμοί, χόρτολοιβαδικές εκτάσεις, χωράφια και βραχώδεις εκτάσεις. Το μεγαλύτερο μέρος καταλαμβάνουν οι ελώδεις εκτάσεις (11865,25 εκτάρια) και τις φυτείες (9297 εκτάρια). Η περιοχή KBU χαρακτηρίζεται από φυτείες κηπευτικών στο οροπέδιο, που καθιστούν αυξημένη την απορροφηση του εδάφους και άρα τον εμπλουτισμό των υπόγειων υδάτων. Το μικρότερο τμήμα χρήσεων γης καταλαμβάνουν οι βραχώδεις εκτάσεις. Σε βραχώδες έδαφος βρίσκεται και το ρήγμα Lembang που βγήκε στην επιφάνεια λόγω τεκτονικής δραστηριότητας.
Κλίση
Με βάση τα αποτελέσματα των αναλύσεων, η κλίση κυμαίνεται από 0% έως 165,072%, με μέσο όρο 25,68% και τυπική απόκλιση 17,24%.
Η κλίση στην παρούσα έρευνα χαρακτηρίζεται ως απότομη με ποσοστό 21-55%, για έκταση 18.573,74 εκταρίων. Οι κλίσεις που εμφανίζονται με την μικρότερη συχνότητα στην περιοχή είναι οι πολύ απότομες με ποσοστό >140% και για έκταση 1,83 ha. Η εμφάνιση απότομων κλίσεων είναι το χαρακτηριστικό του ηφαιστείου και των τεκτονικών γεωμορφών. Τα υπόγεια ύδατα βρίσκονται συνήθως σε ήπιες κλίσεις, επειδή το νερό ρέει σύμφωνα με την βαρύτητα. Συγκεκριμένα, η επίπεδη κλίση κυμαίνεται από 0-2% για 436,84 εκτάρια, η ήπια κλίση κυμαίνεται από 3-7% για 4121,13 εκτάρια, οι ήπιες κλίσεις κυμαίνονται από 8-13% για 5862,34 ha, οι ελαφρώς απότομες 14-20% για 7369,14 ha και οι πολύ απότομες 56-140% για 2593,77 εκτάρια.
Βροχόπτωση
Κατά μέσο όρο, η βροχόπτωση στην περιοχή KBU ήταν 1764,18 mm/ έτος - 1983,81 mm/έτος από το 2004-2021. Η βροχόπτωση αναλύθηκε με βάση υπολογισμούς από τους τέσσερις βροχομετρικούς σταθμούς που είναι διασκορπισμένοι στην περιοχή έρευνας. Η βροχόπτωση είναι υψηλή λόγω του οτι η περιοχή είναι ορεινή. Το δυναμικό των πηγών στην περιοχή με τη μεγαλύτερη βροχόπτωση εμφανίστηκε στον σταθμό Lembang με τιμή 4937,76 mm/έτος το 2016.
Τοπογραφικός δείκτης υγρασίας (TWI)
Η KBU έχει ελάχιστη και μέγιστη βαθμολογία στο τοπογραφικό δείκτη υγρασίας 1,22676 και 24,1305, αντίστοιχα. Ο μέσος όρος του TWI είναι 5.798, με τυπική απόκλιση 1,892. Υψηλή τιμή TWI δείχνει επίπεδες συνθήκες ή συνθήκες λεκάνης που σχετίζονται με την ύπαρξη υπόγειων υδάτων. Η τιμή TWI σε μια υπερυψωμένη περιοχή δηλώνει επανατροφοδότηση υπόγειων υδάτων. Η τιμή TWI στην KBU περιγράφει την κατάσταση απορρόφησης του νερού λόγω της τοπογραφίας του ηφαιστείου και των τεκτονικών γεωμορφών.
Υδρογεωλογία
Ο υδροφόρος ορίζοντας εντοπίζεται στο βόρειο και ανατολικό τμήμα της περιοχής μελέτης. Η έκταση του μικρής παραγωγικότητας υδροφορέα είναι 8,16 km2. Συνήθως, οι ηφαιστειογενής περιοχές, καθώς και οι περιοχές με τεκτονική δραστηριότητα έχουν καλό υδροφόρο ορίζοντα. Ωστόσο, στην περιοχή ο υδροφόρος βρίσκεται σε μεγάλο βάθος επειδή καλύπτεται από πυκνό ημίχωμα, οπότε το υπόγειο νερό εμφανίζεται στην επιφάνεια μέσω των πηγών. Σε σχετικά επίπεδες περιοχές, όπως κοιλάδες ή κοντά σε ποταμούς, το υπόγειο νερό μπορεί να ληφθεί από γεωτρήσεις.
Αναλυτική Διαδικασία Ιεράρχισης (AHP)
Από τον υπολογισμό του λόγου συνέπειας (CR), η τιμή προέκυψε ότι είναι κάτω από 0,1, που σημαίνει ότι κάθε μεταβλητή στην παρούσα έρευνα ήταν συνεπής. Η τιμή του CR είναι σταθερή εάν είναι κάτω από 10% ή 0,1. Η τιμή του δείκτη τυχαίας συνέπειας (RI) στην παρούσα έρευνα είναι 1,32 και εφαρμόζεται και στις επτά μεταβλητές. Από την ανάλυση της πιθανότητας ύπαρξης υπόγειων υδάτων, προκύπτουν πέντε ταξινομήσεις που χαρακτηρίζονται ως χαμηλές για έκταση (44,13 km2), μεσαίες για (133 km2), και υψηλές για έκταση έως (210,43 km2). Τα αποτελέσματα δείχνουν οτι από τις 147 πηγές στην ερευνητική περιοχή, έξι πηγές ανήκουν στην κατηγορία χαμηλού δυναμικού, 55 στη μεσαία κατηγορία και 86 στην υψηλή κατηγορία. Η υψηλή κατηγορία έχει περισσότερες πηγές σε σχέση με τις υπόλοιπες, οπότε η μέθοδος αυτή μπορεί να αποτελέσει μια εναλλακτική λύση για τον προσδιορισμό δυνητικά υπόγειας υδροφορίας. Συνήθως, τα υπόγεια ύδατα βρίσκονται σε κοιλάδες και γενικώς σε περιοχές με μικρές κλίσεις.
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ
Το μοντέλο προσδιορισμού των υπόγειων υδάτων με τη χρήση του AHP μπορεί να να αποτελέσει μια εναλλακτική λύση εξετάζοντας μεταβλητές όπως η βροχόπτωση, η υδρογεωλογία, η πυκνότητα γραμμώσεων, η κλίση, ο τοπογραφικός δείκτης υγρασίας, η πυκνότητα αποστράγγισης και οι χρήσεις γης. Η ταξινόμηση του δυνητικού χάρτη υπόγειας υδροφορίας χωρίζεται σε τρεις περιοχές: χαμηλή, μεσαία και υψηλή. Στην συγκεκριμένη μελέτη, η ύπαρξη υπόγειων υδάτων στην υψηλή περιοχή έχει τον μεγαλύτερο αριθμό. Αυτή η συνθήκη επικυρώνει το μοντέλο AHP και προσδιορίζει αποτελεσματικά τα υπόγεια ύδατα στην ηφαιστειακή και τεκτονικά διαμορφωμένη περιοχή. Οι πηγές βρίσκονται σε περιοχές με υψηλή βροχόπτωση, σε υδροφόρους ορίζοντες υψηλής παραγωγικότητας και ευρείας κατανομής, με υψηλή πυκνότητα γραμμών, σε επίπεδες πλαγιές, με υψηλή τιμή TWI, με χαμηλής πυκνότητας ποτάμι, και τύπο εδάφους που απορροφά εύκολα το νερό. Το αποτέλεσμα της έρευνας δείχνει 147 πηγές, με 86 να ανήκουν στην υψηλή, 55 στη μεσαία και έξι στις χαμηλές περιοχές.
