Μέθοδοι διερεύνησης γεωπεριβαλλοντικών κινδύνων και υδατικών πόρων, στη λεκάνη του Σπερχειού ποταμού, με την αξιοποίηση Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών και Τηλεπισκόπησης

Abstract

Οι ανθρώπινες δραστηριότητες και η κλιματική αλλαγή αποτελούν το σύγχρονο καταλύτη των φυσικών διεργασιών και των γεωπεριβαλλοντικών κινδύνων που τις συνοδεύουν. Παγκοσμίως, τα φυσικά καταστροφικά φαινόμενα (πλημμύρες, κ.ά.) και οι φυσικοί κίνδυνοι (διάβρωση εδαφών, ποσοτική και ποιοτική υποβάθμιση των υπόγειων υδάτων, κ.ά.), εντεινόμενα από ανθρωπογενείς παράγοντες, παρουσιάζουν ραγδαία αύξηση σε ένταση, συχνότητα εμφάνισης, χωρική πυκνότητα και σημαντική εξάπλωση των περιοχών εμφάνισής τους. Το αντίκτυπο των φαινομένων αυτών είναι καταστροφικό για την ανθρώπινη ζωή, την ιδιωτική περιουσία, τις υποδομές, κ.ά., ενώ σε ευρύτερη κλίμακα επιδρά αρνητικά σε πολύ μεγάλο βαθμό στο κοινωνικό, περιβαλλοντικό και οικονομικό καθεστώς της εκάστοτε πληγείσας περιοχής. Αντίμετρο στην πραγματικότητα αυτή δύναται να αποτελέσει η τεχνολογική εξέλιξη και επιστημονική πρόοδος που λαμβάνουν χώρα στα τέλη του 20ου και αρχές του 21ου αιώνα, ενώ η ανάπτυξη αυτή δείχνει να συνεχίζεται με εκθετική πρόοδο και στα χρόνια που έρχονται. Σημαντικές τεχνικές, εργαλεία, μοντέλα, βάσεις δεδομένων, κ.ά., όπως τα Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών (ΓΣΠ) και η Τηλεπισκόπηση, επιχειρούν να διαδραματίσουν, και ήδη το έχουν επιτύχει, πρωταγωνιστικό ρόλο στην πρόβλεψη, πρόληψη, έρευνα, αντιμετώπιση, αποκατάσταση και διαχείριση των φαινομένων αυτών και των επιπτώσεών τους. Αυτές οι τεχνολογίες και οι επιστημονικές πρακτικές καταλαμβάνουν ήδη έναν αξιοσημείωτο τμήμα της παγκόσμιας βιβλιογραφίας και του πεδίου της ακαδημαϊκής έρευνας. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή επιχειρείται η ανάπτυξη ολοκληρωμένων γεωπεριβαλ-λοντικών μεθόδων έρευνας και διαχείρισης των φαινομένων της διάβρωσης, των πλημμυρών και της ανάπτυξης αλλά και της τρωτότητας του υπόγειου υδατικού δυναμικού. Προς την κατεύθυνση αυτή επιχειρήθηκε η αξιοποίηση πολλαπλών τύπων δεδομένων, στην πλειονότητά τους ελεύθερα διαθέσιμων από ανοικτές βάσεις δεδομένων και η χρήση λογισμικών που μπορεί να είναι είτε εμπορικά είτε ελεύθερα (ανάλογα με την επιλογή του χρήστη), μειώνοντας έτσι το κόστος της έρευνας σε πολύ μεγάλο βαθμό. Επιπλέον, σκοπός των μεθόδων που αναπτύσσονται είναι η ελάττωση του χρόνου παραγωγής αξιοποιήσιμων αποτελεσμάτων, η υπερπήδηση σημαντικών εμποδίων που προκύπτουν στην έρευνα πεδίου, αλλά κυρίως η δημιουργία στοχευμένων κατευθύνσεων για την εφαρμογή της, όπου αυτή απαιτείται. Ως περιοχή πιλοτικής ανάπτυξης και εφαρμογής των μεθόδων επιλέχθηκε η υδρολογική λεκάνη του Σπερχειού ποταμού, η οποία βρίσκεται στην Ανατολική Κεντρική Στερεά Ελλάδα. Ο λόγος αυτής της επιλογής έγκειται στο γεγονός ότι η λεκάνη αυτή εμφανίζει διαχρονικά έντονα φαινόμενα εδαφικής διάβρωσης και πλημμυρών με πολύ καταστροφικές συνέπειες. Επιπλέον, στην περιοχή αναπτύσσονται ποικίλου τύπου υδροφορίες αρκετές από τις οποίες είναι υποβαθμισμένες ποσοτικά και ποιοτικά. Πιο συγκεκριμένα, η διάβρωση και η μεταφορά εδαφικού υλικού που λαμβάνει χώρα στη λεκάνη έχουν ως αποτέλεσμα σημαντικές γεωμορφολογικές μεταβολές, φυσικούς κινδύνους και υποβάθμιση των εδαφών και των υδατικών πόρων. Επιπλέον, τα καταστροφικά πλημμυρικά φαινόμενα λαμβάνουν χώρα στη λεκάνη λόγω του έντονου χειμαρρικού της χαρακτήρα στα ορεινά και της μεγάλης πεδινής της έκτασης με πολύ χαμηλές κλίσεις κυρίως από τα κεντρικά έως και το δελταϊκό της τμήμα και την ακτογραμμή. Τέλος, οι υδροφορίες που αναπτύσσονται στην λεκάνη υφίστανται σημαντικές πιέσεις από υπερεκμετάλλευση, υφαλμύρινση και άλλες αιτίες. Οι άναρχες ανθρώπινες δραστηριότητες σε συνδυασμό με τα διαφαινόμενα αποτελέσματα της κλιματικής αλλαγής ενισχύουν την ένταση, τα χαρακτηριστικά και την διαχρονική εξέλιξη των παραπάνω φαινομένων. Συνεπώς, όλα τα παραπάνω, καθιστούν την υδρολογική λεκάνη του Σπερχειού ποταμού ως το κατάλληλο ερευνητικό πεδίο για την ανάπτυξη μεθόδων έρευνας και διαχείρισης των φαινομένων και των διεργασιών αυτών και γενικότερα του υδατικού δυναμικού. Πιο αναλυτικά, στο πλαίσιο της διατριβής αυτής το φαινόμενο της εδαφικής διάβρωσης ερευνάται με την ανάπτυξη του μοντέλου STELLAR. Πρόκειται για ένα μοντέλο χωρικής εκτίμησης της τρωτότητας του εδάφους σε διάβρωση, το οποίο στηρίζεται στην τεχνική MCE (Multi-Criteria Εvaluation) και αναπτύχθηκε σε περιβάλλον ΓΣΠ. Μετά την ανάπτυξη και εφαρμογή του μοντέλου STELLAR έγινε έλεγχος της ευαισθησίας του, η οποία απέδειξε τη μεγάλη σταθερότητα της μεθόδου (οι διαφοροποιήσεις μεταξύ των σεναρίων που δοκιμάστηκαν ήταν κάτω του 10 %). Επιπλέον, το μοντέλο STELLAR αντιπαραβάλλεται και συγκρίνεται με το παγκοσμίως αποδεκτό μοντέλο RUSLE (παγκόσμια εξίσωση εδαφικής απώλειας), σε περιβάλλον ΓΣΠ. Η αντιπαραβολή των αποτελεσμάτων που παράχθηκαν από τα δύο μοντέλα εμφανίζει εξαιρετικά υψηλή ταύτιση πιστοποιώντας την πολύ καλή προβλεπτική ικανότητα του μοντέλου STELLAR. Το αντικείμενο των πλημμυρών προσεγγίζεται με την ανάπτυξη του δείκτη επιδεκτικότητας FSI και του ολοκληρωμένου μεθοδολογικού πλαισίου R-M-R. Ο δείκτης εκτίμησης της πλημμυρικής επιδεκτικότητας FSI αξιοποιεί δορυφορικά δεδομένα Sentinel-1 και τεχνικές γεωστατιστικής χωρικής ανάλυσης και αναπτύχθηκε σε περιβάλλον ΓΣΠ. Μετά την ανάπτυξη και εφαρμογή του χρησιμοποιήθηκε η πρότυπη μέθοδος επικύρωσης ROC Analysis για την αξιολόγηση της προγνωστικής αξίας του μοντέλου, η οποία εκτιμήθηκε ως εξαιρετικά υψηλή (της τάξης του 97 %). Το μεθοδολογικό πλαίσιο R-M-R που αναπτύσσεται είναι ένα σύγχρονο και ολοκληρωμένο σύστημα – πλαίσιο ανάλυσης και προσομοίωσης πλημμυρικών φαινομένων και εκτίμησης των ζωνών επιρροής της πλημμύρας. Αξιοποιεί δεδομένα τηλεπισκόπησης EUMETSAT και Sentinel-1, τα υδρολογικά και υδραυλικά μοντέλα HEC-HMS και HEC-RAS αντίστοιχα, και ΓΣΠ. Τα αποτελέσματα του πλαισίου R-M-R αξιολογούνται ως πολύ θετικά και παράγουν την απαραίτητη γνώση για την περαιτέρω βελτίωση και εξέλιξή του. Η ποσοτική και ποιοτική διερεύνηση των υπογείων υδάτων επιχειρείται με την ανάπτυξη και εφαρμογή του σύνθετου δείκτη IRGwPi και του μοντέλου IGwVM. Ο δείκτης IRGwPi είναι ένας ολοκληρωμένος δείκτης εκτίμησης των ζωνών τροφοδοσίας και των θέσεων δυνητικής ανάπτυξης υπόγειας υδροφορίας, ο οποίος αξιοποιεί, εκτός των άλλων, δορυφορικά δεδομένα Landsat-8 και την τεχνική MIF (Multi-Influencing Factors) και αναπτύχθηκε σε περιβάλλον ΓΣΠ. Το μοντέλο IGwVM είναι ένα ολοκληρωμένο μοντέλο εκτίμησης της τρωτότητας των υπόγειων υδροφόρων, το οποίο αξιοποιεί δορυφορικά δεδομένα Landsat-8 και την τεχνική AHP (Analytical Hierarchy Process) και αναπτύχθηκε, επίσης, σε περιβάλλον ΓΣΠ. Τα αποτελέσματα των δύο παραπάνω νέων μεθόδων (του δείκτη και του μοντέλου) συγκρίθηκαν και αξιολογήθηκαν με πραγματικά δεδομένα πεδίου και εργαστηριακές αναλύσεις, εμφανίζοντας πολύ μεγάλη προσέγγιση μεταξύ τους. Τέλος, έγινε συνδυασμός του δείκτη IRGwPi και του μοντέλου IGwVM για την εκτίμηση της προοπτικής εκμετάλλευσης των υπόγειων υδροφόρων. Το αποτέλεσμα του συνδυασμού αυτού είναι ένα πολύ χρήσιμο εργαλείο έρευνας και διαχείρισης του υπόγειου υδατικού δυναμικού. Εν κατακλείδι, η παρούσα διδακτορική διατριβή συμβάλλει στην επιστημονική γνώση με την ανάπτυξη και πρόταση νέων – σύγχρονων μεθόδων έρευνας και διαχείρισης γεωπεριβαλλοντικών κινδύνων και υδατικών πόρων με την αξιοποίηση δεδομένων και λογισμικών χαμηλού έως μηδενικού κόστους. Τα Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών, η Τηλεπισκόπηση, τα ελεύθερα μοντέλα προσομοίωσης (HEC-RAS, HEC-HMS), καθώς και οι σύγχρονες τεχνικές γεωστατιστικής, χωρικής και πολυκριτηριακής ανάλυσης που αξιοποιήθηκαν, αποτελούν τα κύρια δομικά χαρακτηρι¬στικά των μεθόδων αυτών και της αποτελεσματικότητάς τους. Η μελλοντική προοπτική των προτεινόμενων αυτών μεθόδων, που αποτελούν επιστημονική πρωτοτυπία, είναι απεριόριστη, καθώς μπορούν να εμπλουτιστούν, να επεκταθούν και να αναπτυχθούν παράλληλα με την επιστημονική και τεχνολογική εξέλιξη.