Βιώσιμη γεωργική διαχείριση στη λεκάνη του Πηνειού
με χρήση τηλεπισκόπησης, προσομοίωση σε SWAT
και ανάλυση αλληλεπιδράσεων νερού-γης-τροφής-ενέργειας

Δαγαλάκη, Βασιλική; Dagalaki, Vasiliki

dc.contributor.author	Δαγαλάκη, Βασιλική	el
dc.contributor.author	Dagalaki, Vasiliki	en
dc.date.accessioned	2016-06-17T09:44:59Z
dc.date.available	2016-06-17T09:44:59Z
dc.date.issued	2016-06-17
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/42745
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.12225
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Πηνειός (ποταμός)	el
dc.subject	Τηλεπισκόπηση	el
dc.subject	Σενάρια γεωργικών πρακτικών	el
dc.subject	WELF Nexus	en
dc.subject	SWAT	en
dc.title	Βιώσιμη γεωργική διαχείριση στη λεκάνη του Πηνειού με χρήση τηλεπισκόπησης, προσομοίωση σε SWAT και ανάλυση αλληλεπιδράσεων νερού-γης-τροφής-ενέργειας	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Διαχείριση υδατικών πόρων	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-03-23
heal.abstract	Το Υδατικό Διαμέρισμα Θεσσαλίας περιλαμβάνει τη μεγαλύτερη πεδινή έκταση στην Ελλάδα και το 12% της συνολικής γεωργικής έκτασης στη χώρα. Ωστόσο αποτελεί το πιο ελλειμματικό διαμέρισμα της ηπειρωτικής χώρας σε νερό, καθώς οι τοπικοί επιφανειακοί και υπόγειοι υδατικοί πόροι παρά την ενίσχυσή τους από τις εκροές του ταμιευτήρα Πλαστήρα δεν επαρκούν για την κάλυψη των αρδευτικών αναγκών. Ταυτόχρονα, το Θεσσαλικό πεδίο έχει χαρακτηριστεί με υπουργική απόφαση ως ευπρόσβλητη από νιτρορύπανση γεωργικής προέλευσης ζώνη έπειτα από αξιολόγηση των στοιχείων ποιότητας των επιφανειακών και υπόγειων υδάτων και εντοπισμό υψηλών συγκεντρώσεων ΝΟ3 σύμφωνα με τα κριτήρια της Οδηγίας 91/676/ΕΟΚ. Λαμβάνοντας υπόψη το γεγονός ότι η συνδυασμένη διαχείριση νερού, γης, τροφής και ενέργειας (WELF nexus) μπορεί να υποστηρίξει την επιδίωξη οικονομικά, κοινωνικά και περιβαλλοντικά βιώσιμης ανάπτυξης σε παγκόσμιο, κρατικό ή τοπικό επίπεδο, επιχειρήθηκε η διερεύνηση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των διαφορετικών αυτών τομέων στη λεκάνη απορροής του ποταμού Πηνειού. Πιο συγκεκριμένα, στη συγκεκριμένη διπλωματική εργασία δημιουργήθηκε ένας επικαιροποιημένος χάρτης χρήσεων γης για την περιοχή ενδιαφέροντος με χρήση τηλεπισκοπικών δεδομένων, αναπτύχθηκε το κατανεμημένο υδρολογικό μοντέλο φυσικής βάσης SWAT και εξετάστηκαν πέντε σενάρια εφαρμογής διαφορετικών γεωργικών πρακτικών στις αρδευόμενες καλλιέργειες της λεκάνης, με ανάλυση των αλληλεπιδράσεων νερού, γης, τροφής και ενέργειας. Αρχικά πραγματοποιήθηκε η προμήθεια των δορυφορικών εικόνων προερχόμενων από το δορυφόρο Landsat 8-OLI/TRS. Με χρήση του ERMapper, ενός προγράμματος επεξεργασίας τηλεπισκοπικών εικόνων, επιτεύχθηκε η σύνθεση του μωσαϊκού των δορυφορικών εικόνων που απεικονίζουν την περιοχή μελέτης, η αναγνώριση της περιοχής στη οποία κρίθηκε απαραίτητη η πραγματοποίηση ταξινόμησης και η κατασκευή του κατάλληλου έγχρωμου σύνθετου. Το έγχρωμο σύνθετο εισήχθη ακολούθως στο λογισμικό αντικειμενοστραφούς ανάλυσης εικόνας eCognition, όπου πραγματοποιήθηκε η διαδικασία της κατάτμησης και ταξινόμησης. Επιλέχθηκε η «από κάτω προς τα πάνω» κατάτμηση (bottom up segmentation) με τις τιμές των παραμέτρων να ορίζονται εμπειρικά. Οι κλάσεις, στις οποίες έγινε η ταξινόμηση των αντικειμένων που δημιουργήθηκαν από την κατάτμηση, ήταν οι εξής: αγρανάπαυση, μηδική, καλαμπόκι, βαμβάκι, βοσκότοποι, ζαχαρότευτλο, τομάτα, δενδρώδης περιοχή και σιτάρι. Η ταξινόμηση ήταν επιβλεπόμενη με χρήση του αλγόριθμου του εγγύτερου γείτονα για τη μέση τιμή και τυπική απόκλιση της φωτεινότητας στα διάφορα κανάλια. Τόσο οι περιοχές εκπαίδευσης όσο και οι περιοχές ελέγχου προήλθαν από τη βάση δεδομένων του Ο.Π.Ε.Κ.Ε.Π.Ε. έτσι όπως διαμορφώθηκε έπειτα από τις αιτήσεις Ενιαίας Ενίσχυσης των αγροτών το έτος 2013. Από τις εκτελεσθείσες ταξινομήσεις επιλέχθηκε εκείνη με τη μεγαλύτερη συνολική ακρίβεια (0.67), υψηλότερο δείκτη KIA (0.6) και υψηλότερες επιμέρους ακρίβειες για τις σημαντικότερες κλάσεις. Ο χάρτης χρήσεων γης συντέθηκε από τα αποτελέσματα της ταξινόμησης και τα δεδομένα χρήσεων γης CORINE του έτους 2000. 6 Η κατασκευή του υδρολογικού μοντέλου της λεκάνης απορροής πραγματοποιήθηκε στο λογισμικό ArcSWAT. Τα δεδομένα εισαγωγής περιλαμβάνουν το Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους (DEM) της περιοχής, τη σχηματοποίηση των υπολεκανών, τον παραχθέντα χάρτη χρήσεων γης, τον εδαφολογικό χάρτη καθώς και χρονοσειρές ημερήσιων μετρήσεων βροχόπτωσης, μέγιστων και ελάχιστων θερμοκρασιών. Η λεκάνη απορροής χωρίστηκε σε 49 υπολεκάνες και 848 μονάδες υδρολογικής απόκρισης (HRUs). Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε η επεξεργασία των παραμέτρων των αρχείων προγράμματος, ώστε να προσομοιωθούν η λειτουργία των ταμιευτήρων εντός της λεκάνης, οι μεταφορές νερού, οι συμβατικές μέθοδοι άρδευσης και λίπανσης. Η βαθμονόμηση και επαλήθευση του μοντέλου πραγματοποιήθηκε με χρήση μηνιαίων χρονοσειρών μετρημένων παροχών και συγκεντρώσεων θρεπτικών σε συνολικά τέσσερις θέσεις κατά μήκος του κύριου ρεύματος. Στη βαθμονόμηση συμμετείχαν συνολικά 10 παράμετροι σχετικές με τα ποσοτικά χαρακτηριστικά του νερού και 11 παράμετροι σχετιζόμενες με τα ποιοτικά χαρακτηριστικά. Για την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων της ποσοτικής βαθμονόμησης υπολογίστηκε ο δείκτης NSE και άλλα μέτρα επίδοσης με τιμές μέσα στα αποδεκτά όρια, όπως ορίζονται από τη βιβλιογραφία, τόσο για την περίοδο της βαθμονόμησης όσο και για την περίοδο της επαλήθευσης και συνεπώς η προγνωστική ικανότητα παροχών του μοντέλου κρίθηκε ικανοποιητική. Αντιθέτως, η συσχέτιση μεταξύ των προσομοιωμένων φορτίων ολικού φωσφόρου και των παρατηρημένων κρίθηκε μη ικανοποιητική και τα αποτελέσματα δεν αξιοποιήθηκαν περαιτέρω. Τα αποτελέσματα της ποιοτικής βαθμονόμησης όσον αφορά τα νιτρικά κρίθηκαν αποδεκτά για τους σκοπούς της παρούσας εργασίας. Το βαθμονομημένο μοντέλο χρησιμοποιήθηκε για την εκτέλεση πέντε σεναρίων εφαρμογής διαφορετικών γεωργικών πρακτικών άρδευσης και λίπανσης για τις αρδευόμενες καλλιέργειες της λεκάνης απορροής. Πέρα από την προσομοίωση της υφιστάμενης κατάστασης (REF) τα εκτελεσθέντα σενάρια περιλαμβάνουν εφαρμογή ελλειμματικής άρδευσης (DI), μειωμένης λίπανσης αζώτου (RF), συνδυασμού αυτών (DIRF) και εφαρμογή γεωργίας ακριβείας (PA). Τα αποτελέσματα του μοντέλου SWAT υπέστησαν κατάλληλη επεξεργασία, ώστε από αυτά να εξαχθούν αντιπροσωπευτικοί δείκτες σχετικά με την επίδραση των γεωργικών πρακτικών τόσο στους υδατικούς πόρους όσο και στους τομείς της ενέργειας, της τροφής και του εδάφους. Το σενάριο PA έχει τις καλύτερες επιδόσεις στον τομέα του νερού και της τροφής (γεωργικής παραγωγής). Πράγματι, καταφέρνει να βελτιώσει την αποδοτικότητα νερού και λιπανσης για την αύξηση της γεωργικής παραγωγής. Προκαλεί ηπιότερες επιπτώσεις στα υπόγεια ύδατα, ενώ ταυτόχρονα παρουσίαζει τη μικρότερη εκμετάλλευση των μόνιμων υπόγειων αποθεμάτων νερού συγκριτικά με τα άλλα σενάρια. Τα σενάρια DI και DIRF έχουν παρόμοιες επιπτώσεις στους τομείς του WELF Nexus με εξαίρεση την κατείσδυση NO3 στα υπόγεια ύδατα όπου το DIRF αποδίδει καλύτερα. Αποτελούν την πλεόν συμφέρουσα επιλογή με κριτήριο την τιμή του απλοποιημένου δείκτη WEI. Το σενάριο DI αποτελέι το βέλτιστο σενάριο με κριτήριο τη συνολική καθαρή αξία ενεργειακής παραγωγής, το DIRF είναι το επόμενο σε απόδοση σε αυτόν τον τομέα. Το σενάριο RF δεν αποτελεί βέλτιστη επιλογή για κανένα από τα εξεταζόμενα κριτήρια. Για τον τομέα της Γης, όλα τα γεωργικά σενάρια έχουν παρόμοια απόδοση. 7 Κανένα σενάριο δεν επικρατεί ολικά απέναντι στα υπόλοιπα. Η αναγώριση ενός σεναρίου ως βέλτιστο προϋποθέτει την ιεράρχηση των κριτηρίων από τους φορείς λήψης αποφάσεων και την ποσοτικοποίηση αυτής. Χρήσιμη προς αυτή την κατεύθυνση θα ήταν επίσης μια ανάλυση ευαισθησίας ανάλυση ευαισθησίας για τις τιμές του νερού, των λιπασμάτων, της ενέργειας και της γεωργικής παραγωγής.	el
heal.abstract	The River Basin District of Thessaly includes the largest lowland area in Greece as well as the 12% of the national agricultural land. However, this River Basin District constitutes the most highly water stressed area in the Greek mainland as the local groundwater and surface water resources are insufficient compared to the local irrigation demand even though there is significant influx of water from the Plastiras reservoir. Furthermore, the plain of Thessaly has been identified according to the requirements of the Directive 91/676/EEC (transposed into national legislation with JMD 161890/1335/1997), as vulnerable zone with respect to nitrogen pollution from agricultural run-offs. Taking into consideration that the implementation of integrated management practices of the WELF Nexus can foster and facilitate goals of economically, socially, and environmentally sustainable growth either at international, national or local level, an analysis of the interactions among the nexus sectors (water, energy, land, food) was attempted. In this particular thesis an updated land use map of the river basin was produced utilizing available remote sensing methods and classification techniques, a hydrological model of the region was produced using the comprehensive distributed river basin model, SWAT, and five alternative agricultural management scenarios for the irrigated areas of Pinios river basin were modelled. In particular, satellite multispectral high spatial resolution data (30m) from Landsat 8/OLI-TRS acquired in 2013 were used to generate the land cover maps. Using the ERMapper software the appropriate mosaic depicting the river basin was produced and following the establishment of the band combination to create the appropriate RGB composite, the area of interest for which the classification would take place was identified. The produced composite image of the area of interest was used for segmentation and classification purposes in the object-oriented image analysis software, eCognition. At first, the multiresolution segmentation algorithm was used for producing polygon objects. The values for the homogenity criteria and the scale factor were adjusted empirically. A class hierarchy to be used in the classification process was defined, consisting of the following classes: agricultural land, alfalfa, corn, cotton, pasture, sugar beet, tomato, trees and winter wheat. The supervised classification was carried out using the Nearest Neighbor algorithm, adding the mean and the standard deviation of the layer values to the standard nearest neighbor feature space. Both training regions and test regions derive from relevant data provided by OPEKEPE. The accuracy assessment of each of the classifications carried out was accomplished using confusion matrix and statistical indexes (Overall Accuracy, Kappa Index of Agreement, etc.). The chosen classification results corresponded to the highest Overall Accuracy (0.67) and KIA (0.6) and were used in the composition of the final landuse map using GIS software. The hydrological model of Pinios river basin was constructed using the ArcSWAT2012 version. Input data include a Digital Elevation Model (DEM) of the catchment, the schematization of the subbasins, the produced land use map, the soil map of the river basin as well as timeseries of meteorological daily temperature and 10 precipitation data. The river basin was divided in 49 subbasins and 848 Hydrological Response Units (HRUs). Subsequently, the values of several parameters of the program were adjusted so as to describe the operation of the reservoirs in the catchment, water transports within or inwards the basin as well as the implemented agricultural practices. The model was calibrated and validated on a monthly step, using historical river flow and nutrient loadings records for four locations within the study area. There were 10 parameters that participated in the flow calibration process and 11 more pertaining the quality characteristics of water in the study area. Model evaluation regarding flow simulation was implemented by the calculation of several quantitive statistics (NSE, PBIAS, etc.) and their values were found within the limits set in international literature indicating that the model simulation can be judged as satisfactory. Likewise, with the use of graphical model evaluation techniques the predicted ability of the model regarding NO3 loadings was judged as satisfactory with respect to the aims of the thesis. On the other hand, the convergence between the simulated and observed P loadings was regarded weak and the results were not utilized further in the course of this thesis. Five agricultural management scenarios pertaining to alternative irrigation and fertilization practices for the irrigated areas of the catchment were constructed and modeled over a 20 year period using the calibrated SWAT model. Apart from the reference scenario (REF) reflecting the conventional practices applied at present, the scenarios modelled include implementation of deficit irrigation (DI), reduced fertilization (RF), a combination of the aforementioned (DIRF) as well as precision agriculture (PA). SWAT outputs of each of the modeled scenarios were processed and representative indicators regarding the effect of agricultural practices on the WELF sectors (water, energy, land and food) were calculated. Additionally, the average financial cost/ benefit resulting from the application of each scenario was calculated. PA renders the best results regarding the sectors of water and food (crop production). Indeed, there is an improvement in water and fertilization productivity and an increase in total crop production. This scenario exerts the mildest effect on groundwater quality while at the same time it requires the lowest exploitation of the non-renewable groundwater resources compared to the rest scenarios in order to fully meet the irrigation demands in the watershed. DI and DIRF share similar influence on the WELF Nexus sectors, with the exception of nitrate percolation under the soil profile which is lower in DIRF. These scenarios constitute the optimum choice as far as the value of simplified WEI is concerned. DI leads to the highest net value of energy production in the watershed. On the other hand RF scenario does not pose as the premier choice according to any of the criteria examined. Lastly, all scenarios share similar performance as far as the sector land is concerned. Three is no clear prevalence of one scenario over the others. The identification of one scenario as optimal requires hierarchical classification (quantified or not) of the criteria used from the decision makers. Towards the same result a sensitivity analysis of irrigation water prices, agricultural produce prices, fertilizer prices as well as energy prices would prove useful.	en
heal.advisorName	Μιμίκου, Μαρία	el
heal.committeeMemberName	Τσουκαλά, Βασιλική	el
heal.committeeMemberName	Μακρόπουλος, Χρήστος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Υδατικών Πόρων και Περιβάλλοντος	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	131 σ.
heal.fullTextAvailability	true