Επιπτώσεις της αστικοποίησης στα υπόγεια ύδατα και στις αλλαγές θερμοκρασίας στην επιφάνεια : Μια μελέτη της πόλης Λαχόρη
Από RemoteSensing Wiki
Πρωτότυπος τίτλος: Impact of Urbanization on Groundwater and Surface Temperature Changes: A Case Study of Lahore City
Συγγραφείς: Huzaifah Zahran, Muhammad Zeeshan Ali, Khan Zaib Jadoon, Hammad Ullah Khan Yousafzai, Khalil Ur Rahman, Nadeem Ahmed Sheikh
Δημοσιεύθηκε: Sustainability 2023, 15, 6864. https://doi.org/10.3390/su15086864
Λέξεις κλειδιά: Υδατικοί πόροι
Αντικείμενο εφαρμογής: Μελέτη επιπτώσεων αστικοποίησης στα υπόγεια ύδατα και στις αλλαγές θερμοκρασίας
1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Με την αυξανόμενη ζήτηση για γλυκό νερό λόγω της πληθυσμιακής αύξησης και της αστικοποίησης, η πίεση στους παγκόσμιους υπόγειους υδάτινους πόρους έχει αυξηθεί τρομερά. Η κύρια πηγή παροχής νερού στην αστικοποιημένη περιοχή είναι κυρίως τα υπόγεια ύδατα που χρησιμοποιούν για οικιακή χρήση ή φρεάτια. Η υπερβολική εξάρτηση και η εξόρυξη των υπόγειων υδάτων συχνά οδηγούν στην εξάντληση της αποθήκευσης των υπόγειων υδάτων στην περιοχή. Σχεδόν το 50% του συνολικού παγκόσμιου πόσιμου νερού, το 40% του νερού χρησιμοποιείται σε άρδευση και σχεδόν το ένα τρίτο του νερού που απαιτείται από τη βιομηχανία χρησιμοποιείται από τους υπόγειους υδάτινους πόρους παγκοσμίως. Τα υπόγεια ύδατα αποτελούν μέρος του οικοσυστήματος που εμποδίζει την εισχώρηση θαλασσινού νερού και διατηρεί τη βασική ροή στα περισσότερα ποτάμια, η οποία αποτελεί μέρος του παγκόσμιου υδρολογικού κύκλου. Οι δορυφόροι Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) παρείχαν μια νέα προοπτική σχετικά με τις μεθόδους για την ακριβή παρακολούθηση των πηγών υπόγειων υδάτων του κόσμου, καθώς παρατηρεί τις αλλαγές στα πεδία βαρύτητας που προκύπτουν από τις διακυμάνσεις της μάζας στην επιφάνεια της γης, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διαμόρφωση της Συνολικής Αποθήκευσης Νερού (TWS). Το TWS είναι ένας συνδυασμός υγρασίας εδάφους (SM), αλλαγής αποθήκευσης υπόγειων υδάτων (GWSC) και εξαρτήματα μάζας που μεταβάλλουν τη βαρύτητα, όπως αποθήκευση επιφανειακών υδάτων, πάγος και χιόνι. Το GWSC μπορεί περαιτέρω να απομονωθεί από το TWS εκτιμώντας μεμονομένα εξαρτήματα, όπως αποθήκευση SM και επιφανειακών υδάτων, με τη βοήθεια Μοντέλων Επιφανειών Γης Global Land Data Assimilation System (GLDAS). Με τη βοήθεια των δορυφόρων GRACE, είναι εύκολο να παρακολουθούνται οι υπόγειοι υδάτινοι πόροι μεγάλων περιοχών με πολύ λιγότερες προσπάθειες, ωστόσο, είναι δύσκολο να αξιοποιήσει τα περιορισμένα δεδομένα απευθείας για αποφάσεις διαχείρισης. Η ανάλυση μπορεί να βελτιωθεί ενσωματώνοντας διάφορες προσεγγίσεις ισοζυγίου ενέργειας και μάζας μαζί με τοπικές μετρήσεις με τα δεδομένα GRACE για την εκτίμηση της αλλαγής στη συνολική αποθήκευση νερού, η οποία μπορεί να χρησιμοποιείται ως αναπαράσταση της μεταβολής της μάζας των υπόγειων υδάτων. Οι αλλαγές στη μάζα των υπόγειων υδάτων μπορούν περαιτέρω να συνδεθούν με σημαντικές αλλαγές στις χρήσεις γης και την κάλυψη γης (LULC) παγκοσμίως. Αυτές οι αλλαγές στο LULC μπορούν να συνδεθούν άμεσα με τη επίδραση φυσικών και ανθρωπογενών δραστηριοτήτων, οι οποίες επηρεάζουν σημαντικά το οικοσύστημα αυτών των λεκανών απορροής. Αυτές οι δραστηριότητες συνεπάγονται υψηλή αύξηση της αστικοποίησης, με αποτέλεσμα να υπάρχει επιζήμια επίδραση στους υπόγειους υδάτινους πόρους καθώς μειώνει σοβαρά την ικανότητα επαναφόρτισης της λεκάνης απορροής. Επομένως, είναι σημαντικό να συμπεριληφθούν οι επιπτώσεις του LULC στις πηγές υπόγειων υδάτων ενώ αναλύονται οι αλλαγές στην αποθήκευση των υπόγειων υδάτων οποιασδήποτε λεκάνης απορροής. Το LST μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αποτελεσματική μέτρηση του αστικού κλίματος, δηλαδή το ποσοστό της αδιαπέραστης περιοχής είναι υψηλότερο σε μια αστική περιοχή και, ως εκ τούτου, η θερμοκρασία της επιφάνειας είναι υψηλότερη από ό, τι σε μια περιοχή με βλάστηση. Αυτό συμβαίνει επειδή διαφορετικές επιφάνειες έχουν διαφορετική θερμική ικανότητα. Έτσι, όταν δέχονται παρόμοια ηλιακή ακτινοβολία, παρουσιάζουν διαφορετικές επιφανειακές θερμοκρασίες. Αυτές οι αλλαγές πρέπει να διερευνηθούν μέσω των πιο πρόσφατων διαθέσιμων τεχνικών, συμπεριλαμβανομένων των Συστημάτων Γεωγραφικών Πληροφοριών (GIS) και της τηλεπισκόπησης. Με το αυξανόμενο φορτίο στις παγκόσμιες πηγές υπόγειων υδάτων ως αποτέλεσμα της υψηλής ζήτησης γλυκού νερού λόγω της αυξανόμενης αστικοποίησης, υπάρχει τεράστια πίεση στους υπόγειους υδάτινους πόρους σε χώρες όπως το Πακιστάν. Πάνω από το 60% του νερού που καταναλώνεται για άρδευση και σχεδόν το 90% του πόσιμου νερού εξάγεται από τα υπόγεια ύδατα. Πάνω από 1 εκατομμύριο φρεάτια έχουν εγκατασταθεί και αντλούν υπόγεια ύδατα από την επαρχία Παντζάμπ, η οποία έχει οδηγήσει σε σοβαρή εξάντληση των υπόγειων υδάτινων πόρων. Οι παρατηρήσεις που καταγράφονται από τα φρεάτια παρακολούθησης είναι η κύρια πηγή πληροφοριών που χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση των συστημάτων υπόγειων υδάτων. Επιπλέον, η έλλειψη επαρκούς παρακολούθησης των φρεατίων σε περιοχές μεγάλης κλίμακας θέτει ένα ερωτηματικό στην αξιοπιστία και τη διαθεσιμότητα των δεδομένων που απαιτούνται από τους διαχειριστές των υπόγειων υδάτων, ωθώντας την ερευνητική κοινότητα να επιδιώξει νέες μεθόδους. Οι τεχνικές GIS και τηλεπισκόπησης έχουν αρχίσει να αποδεικνύονται για να καλύψουν αυτό το κενό. Αυτή η μελέτη επικεντρώθηκε κυρίως στην επίδραση της αλλαγής της κάλυψης του εδάφους στις αλλαγές των υπόγειων υδάτων και περαιτέρω αξιολόγηση των επιπτώσεων της εξάντλησης των υπόγειων υδάτων.
2. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ
2.1. Περιοχή μελέτης
Η Λαχόρη είναι βιομηχανικός κόμβος και πρωτεύουσα της επαρχίας Παντζάμπ του Πακιστάν. Η συνολική ρύπανση στη Λαχόρη ήταν 6,3 εκατομμύρια το 1998 που αυξήθηκε σε 11,2 εκατομμύρια με ετήσια αύξηση 3% σύμφωνα με την πιο πρόσφατη απογραφή του 2017. Η περιοχή μελέτης βρίσκεται στην αριστερή όχθη του ποταμού Ράβι, με συνολική έκταση 1842 km2. Η γεωγραφική έκταση της Λαχώρης είναι 31◦130–31◦430 Β γεωγραφικό πλάτος και 74◦0 0–74◦39,50 Α γεωγραφικό μήκος. Από την άποψη του πληθυσμού, η Λαχόρη είναι η μεγαλούπολη της επαρχίας Παντζάμπ με περισσότερο από το 98% των ανθρώπων να ζουν σε αστικές περιοχές. Η Λαχόρη είναι γνωστή για την ιστορική της κουλτούρα, την υψηλή ακαδημαϊκή κοινότητα και την αλληλεπίδρασή της με τη γειτονική χώρα της Ινδίας. Η Λαχόρη έχει μια παλιά πολιτιστική κληρονομιά, η οποία προσελκύει το μεγαλύτερο μέρος του διεθνούς τουρισμού της περιοχής. Μετά τη συνθήκη του Ινδού για το νερό, η παροχή επιφανειακών υδάτων στο Παντζάμπ επηρεάστηκε σοβαρά και η Λαχόρη, που βρίσκεται στην όχθη του ποταμού Ράβι, ήταν μεταξύ των βασικών πόλεων που επλήγησαν. Η εισροή επιφανειακών υδάτων στη Λαχόρη μειώθηκε λόγω της μείωσης των εισροών από τον ποταμό Ράβι. Έτσι, για να ικανοποιηθεί η υψηλή ζήτηση νερού, το μεγαλύτερο μέρος του φορτίου μεταφέρθηκε στους υπόγειους υδάτινους πόρους της πόλης. Το 2014, υπολογίστηκε ότι η χρήση υπόγειων υδάτων στην πόλη ήταν περίπου 2,61 km3 ενώ η επαναφόρτιση ήταν μόνο 2,53 km3. Σχεδόν το 53% των υπόγειων υδάτων που εξορύσσονταν χρησιμοποιούνταν για οικιακούς σκοπούς, ενώ το υπόλοιπο 47% χρησιμοποιήθηκε για γεωργικούς, βιομηχανικούς και εμπορικούς σκοπούς. Η πόλη της Λαχόρης κατανέμεται σε εννέα διοικητικούς δήμους που διαχειρίζονται η διοίκηση τοπικής κλίμακας, δηλαδή, η δημοτική διοίκηση της πόλης και η περιοχή καντονιού του στρατού. Η χειμερινή περίοδος είναι από τον Νοέμβριο έως τον Μάρτιο και οι πιο κρύοι μήνες είναι ο Δεκέμβριος και ο Ιανουάριος με θερμοκρασία από 0 ◦C έως 3 ◦C. Τον Μάιο και τον Ιούνιο, με την υψηλότερη θερμοκρασία 48 ◦C, η μέση θερμοκρασία κατά τη διάρκεια της ημέρας στην περιοχή είναι από 40 ◦C έως 45 ◦C. Κατά τη διάρκεια της εποχής των μουσώνων, η Λαχόρη δέχεται υψηλές βροχοπτώσεις περίπου 600 mm τον Ιούλιο και τον Αύγουστο.
2.2. Σύνολα δεδομένων
2.2.1. Δεδομένα GRACE
Τα GRACE και GRACE-Follow On (GRACE-FO) είχαν ως στόχο τη μελέτη του παγκόσμιου κλίματος και της βαρύτητας της γης. Προηγούμενες μελέτες χρησιμοποιούσαν και τις δύο παρατηρήσεις, τα συνέκρινε με τα επί τόπου δεδομένα εδάφους και διαπίστωσε ότι οι προσεγγίσεις Mascon (MSC) συσχετίζονται περισσότερο με την παρακολούθηση των υπόγειων υδάτων. Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήσαμε μηνιαία παγκόσμια δεδομένα MSC από το κέντρο επεξεργασίας δεδομένων του Κέντρου Διαστημικής Έρευνας. Το Mascon έχει χωρική ανάλυση 3 μοιρών τόξου σε όλη την επιφάνεια της γης, όμως αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε τα δεδομένα των 0,5 μοιρών με το φίλτρο βελτίωσης ανάλυσης ακτών. Τα δεδομένα έχουν εξαχθεί για την περιοχή μελέτης από παγκόσμια προϊόντα για την εύρεση της χερσαίας αποθήκευσης νερού από το 2003 έως το 2021.
2.2.2. Στοιχεία GLDAS
Το Παγκόσμιο Σύστημα Αφομοίωσης Δεδομένων Γης (GLDAS) αναφέρεται στην επίγεια μοντελοποίηση που ενσωματώνει προϊόντα δορυφορικών δεδομένων και επίγειες παρατηρήσεις. Το GLDAS χρησιμοποιεί τέσσερα είδη μοντέλων επιφανειών γης, συγκεκριμένα το Mosaic, Noah, Variable Infiltration Capacity και Community Land Model. Αυτή η μελέτη χρησιμοποιεί τα δεδομένα που προέρχονται από το Noah με χωρική ανάλυση 0,25◦ × 0,25◦. Η αποθήκευση νερού στο θόλο, η υγρασία του εδάφους και το ισοδύναμο νερού χιονιού εξάγεται από το Noah από τον Ιανουάριο του 2003 έως τον Δεκέμβριο του 2021.
2.2.3. Δεδομένα TRMM
Η αποστολή μέτρησης τροπικών βροχοπτώσεων (TRMM) είναι μια κοινή δορυφορική αποστολή της Ιαπωνικής Υπηρεσίας Αεροδιαστημικής Εξερεύνησης και της Εθνικής Υπηρεσίας Αεροναυπηγικής και Διαστήματος για να βρει τη βροχόπτωση για κλιματική έρευνα. Το προϊόν είναι διαθέσιμο σε παγκόσμια κλίμακα από 50◦ Β έως 50◦ Ν. Τα μηνιαία δεδομένα με χωρική ανάλυση 0,25◦ × 0,25◦ χρησιμοποιήθηκαν για αυτή η μελέτη.
2.2.4. Δεδομένα Landsat
Για τη χαρτογράφηση εδαφών, η ανάλυση περιλαμβάνει εικόνες από το 1990, το 2000, το 2010 και το 2020. Τα δεδομένα λαμβάνονται από το Landsat 5 και το Landsat 8 με χωρική ανάλυση 30 m.
2.3. Μεθοδολογία
2.3.1. GRACE Επεξεργασία
Οι μηνιαίες λύσεις GRACE Mascon μας δίνουν συνολική αποθήκευση νερού με μια μέση τιμή 300 × 300 km.Τα δεδομένα αλλάζουν μέγεθος σε διαφορετικές αναλύσεις pixel, δηλαδή 1◦ και 0,5◦ μοίρες. Μέχρι τώρα, η υψηλότερη ανάλυση είναι 0,5 μοίρες. Σε αυτή την μελέτη, τα δεδομένα συνολικής αποθήκευσης νερού χρησιμοποιήθηκαν από το 2003 έως το 2021. Τα δεδομένα που βασίζονται στο GRACE είναι ένα παγκόσμιο προϊόν, επομένως τα δεδομένα της περιοχής μελέτης εξήχθησαν από ένα παγκόσμιο προϊόν. Τα δεδομένα GLDAS είναι διαθέσιμα στις 0,25 μοίρες, έτσι ώστε η διάσταση να είναι συνεπής και το μέγεθος των δεδομένων GRACE άλλαξε περαιτέρω σε 0,25 από 0,5 μοίρες. Η εξίσωση (1) δείχνει τον συνδυασμό των υπόγειων υδάτων και άλλων μεταβλητών στη συνολική αποθήκευση χερσαίων υδάτων.
2.3.2. Times Series Analysis of GRACE-Based GWS
Το GLDAS χρησιμοποιεί μοντέλα επιφάνειας γης για να βρει τη διαφορετική μεταβλητή ποσότητα αποθηκευμένου νερού. Τα δεδομένα GLDAS μετατρέπονται σε εκατοστά για να συνάδουν με τα δεδομένα GRACE. Επιπλέον, η χωρική ανάλυση είναι 0,25 × 0,25 μοίρες και η εξίσωση (2) χρησιμοποιείται για την εξαγωγή ανωμαλιών υπόγειων υδάτων.
2.3.3. Χαρτογράφηση κάλυψης γης
Διαφορετικοί ερευνητές χρησιμοποιούν πολλαπλούς ταξινομητές για ταξινομήσεις κάλυψης γης. Οι εικόνες υποβλήθηκαν σε προεπεξεργασία πριν από περαιτέρω ανάλυση. Ο ταξινομητής μέγιστης πιθανότητας λειτουργεί σε πολυμεταβλητές συναρτήσεις πυκνότητας πιθανότητας κλάσεων για κάθε εικονοστοιχείο. Το εικονοστοιχείο εκχωρείται στη συγκεκριμένη κατηγορία με μέγιστη πιθανότητα φασματικής ανάκλασης στην καθορισμένη τάξη εκπαίδευσης. Η περιοχή μελέτης χωρίζεται σε τέσσερις κύριες κατηγορίες: οικισμό, βλάστηση, άγονη γη και νερό. Συλλέχθηκαν δείγματα εκπαίδευσης για αυτές τις καθορισμένες τάξεις από τις οπτικές εικόνες Landsat-8 με την υποστήριξη πληροφοριών που είναι διαθέσιμες στο Google Earth. Συλλέχθηκαν δεκαέξι σετ δειγμάτων εκπαίδευσης για κάθε κατηγορία κάλυψης γης με εργαλεία ανάπτυξης περιοχής, όπως ο συνολικός αριθμός δειγμάτων εκπαίδευσης για δεδομένα Landsat-8. Με βάση τα συνολικά δείγματα εκπαίδευσης, 70% δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν για το μοντέλο και 30% χρησιμοποιήθηκαν για τη δοκιμή των αποτελεσμάτων του μοντέλου. Η συνολική ακρίβεια έχει αξιολογηθεί με βάση τα δεδομένα δοκιμών.
