Συγκριτική αξιολόγηση μεθοδολογιών υπολογισμού υδατικού αποτυπώματος - Εφαρμογή κάμπος Χανίων

Abstract

Το νερό είναι ένας αναντικατάστατος φυσικός πόρος, ο οποίος βρίσκεται υπό έλλειψη. Σε παγκόσμιο επίπεδο η κατανάλωση νερού για διάφορες χρήσεις (οικιακή - αστική, βιοτεχνική, βιομηχανική, αρδευτική - αγροτική) αυξάνεται με ραγδαίους ρυθμούς. Η προσφορά όμως είναι δεδομένη, είναι ορισμένη, έχει κάποια ανώτερα όρια. Πέραν αυτού στην Ελλάδα, στις άλλες παραμεσόγειες χώρες, σε πολλές άλλες χώρες του κόσμου, σε ενδοετήσιο κύκλο, η ζήτηση του νερού είναι η μέγιστη (το καλοκαίρι), όταν η προσφορά του (η διαθεσιμότητά του) στη φύση είναι η ελάχιστη. Επομένως, κρίνεται αναγκαία η αποτελεσματική διαχείριση των υδατικών πόρων. Για τη λήψη μέτρων προς την κατεύθυνση της ορθολογικής διαχείρισης των υδατικών πόρων, είναι χρήσιμο να επισημανθεί η χωρο-χρονική κατανομή της υδατικής κατανάλωσης. Ένας δείκτης που τροφοδοτεί τους μελετητές με επαρκή στοιχεία για την κατανάλωση είναι το Υδατικό Αποτύπωμα (ΥΑ). Ο δείκτης αυτός εισήχθη το 2002 από τον Α. Y. Hoekstra. Το ΥΑ μίας καλλιέργειας είναι ίσο με τον όγκο του γλυκού νερού που καταναλώνεται κατά την ανάπτυξη της. Το ΥΑ διαχωρίζεται σε τρεις συνιστώσες: τη μπλε, την πράσινη και τη γκρι. Η μπλε συνιστώσα αναφέρεται στην κατανάλωση μπλε νερού, δηλαδή του γλυκού νερού που δεσμεύεται από τους υδατικούς πόρους (επιφανειακούς και υπόγειους) μιας λεκάνης απορροής. Η πράσινη συνιστώσα αφορά στο βρόχινο νερό, τον πράσινο όγκο νερού, το οποίο δεν απορρέει επιφανειακά αλλά κατακρατείται από το έδαφος ως υγρασία και καταναλώνεται από τις καλλιέργειες μέσω της εξατμισοδιαπνοής. Η γκρι συνιστώσα αναφέρεται στη ρύπανση και ορίζεται ως όγκος του γλυκού νερού που απαιτείται για να επανέλθει η συγκέντρωση των ρυπαντών στα επιτρεπτά επίπεδα. Το συνολικό ΥΑ της καλλιέργειας προκύπτει ως το άθροισμα των τριών συνιστωσών. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας επιχειρήθηκε να χρησιμοποιηθεί το ΥΑ ως εργαλείο διαχείρισης των υδατικών πόρων που διατίθενται για άρδευση. Μελετήθηκε και υπολογίστηκε το ΥΑ των καλλιεργειών που αναπτύσσονται στον κάμπο Χανίων, καθώς η περιοχή αποτελεί μία από τις κυριότερες γεωργικές περιοχές της Ελλάδας, η οποία αντιμετωπίζει κορεσμό ως προς την επέκταση των αρδευτικών δικτύων και βρίσκεται υπό αναδιάρθρωση της καλλιεργούμενης έκτασης. Στόχος της εργασίας αποτέλεσε η αξιολόγηση της τάσης για αλλαγή των καλλιεργειών της περιοχής, από άποψη υδατικών καταναλώσεων. Για τον σκοπό αυτό υπολογίστηκαν τα ΥΑ και οι υδατικές καταναλώσεις σε τέσσερα σενάρια (ξηρό - υφιστάμενο, μέσο - υφιστάμενο, ξηρό - μελλοντικό, μέσο - μελλοντικό). Το ΥΑ αποδείχθηκε χρήσιμο εργαλείο καθώς κατά τον υπολογισμό του δείκτη για κάθε καλλιέργεια εκτός από την ποσότητα του νερού που καταναλώνεται για την ανάπτυξη της καθορίζονται και η χρονική κατανάλωση του, η προέλευση του (βρόχινο ή γλυκό νερό από τους επιφανειακούς ή υδατικούς πόρους) και το επίπεδο ρύπανσης που προκαλείται (γκρι συνιστώσα ΥΑ). Επομένως, με τη βοήθεια του ΥΑ μπορούν να καθοριστούν οι απαιτητικές σε νερό καλλιέργειες (με το μεγαλύτερο συνολικό ΥΑ), αυτές που είναι πιο ρυπογόνες (με το μεγαλύτερο γκρι ΥΑ) και αυτές που ασκούν πίεση στους υδατικούς πόρους της περιοχής (με το μεγαλύτερο μπλε ΥΑ). Η διαδικασία υπολογισμού του ΥΑ της διαδικασίας ανάπτυξης μίας καλλιέργειας είναι σαφώς ορισμένη, ωστόσο αφήνεται στην κρίση του μελετητή η επιλογή μεθόδου υπολογισμού της εξατμισοδιαπνοής και της ενεργούς βροχόπτωσης. Στη διπλωματική εργασία, το ΥΑ κάθε καλλιέργειας υπολογίστηκε εφαρμόζοντας διαφορετικές μεθόδους εξατμισοδιαπνοής (Blaney - Criddle, Hargreaves, Penman - Monteith) και ενεργούς βροχόπτωσης (σχέση USDA, 1970, σχέση USDA με την μορφή που προτείνεται από το λογισμικό CROPWAT 8.0), με σκοπό να διαπιστωθεί αν η επιλογή μεθόδου μπορεί να οδηγήσει σε διαφορετικά συμπεράσματα σχετικά με τη διαχείριση υδατικών πόρων. Σύμφωνα με τους Hoekstra et al. (2011), υπάρχει δυνατότητα υπολογισμού του ΥΑ θεωρώντας ότι: (α) οι υδατικές ανάγκες της καλλιέργειας καλύπτονται πλήρως, επομένως γίνεται χρήση της θεωρητικής εξατμισοδιαπνοής. Για τον υπολογισμό της θεωρητικής εξατμισοδιαπνοής επιλέχθηκε να χρησιμοποιηθούν οι σχέσεις Blaney - Criddle, Hargreaves, Penman - Monteith. Ο υπολογισμός έγινε σε περιβάλλον Excel, ωστόσο η εξατμισοδιαπνοή με την Penman - Monteith υπολογίστηκε με τη χρήση του λογισμικού CROPWAT 8.0. (β) η υδατική κατανάλωση κάθε καλλιέργειας είναι ίση με την πραγματική εξατμισοδιαπνοή. Αυτή υπολογίστηκε με το λογισμικό CROPWAT 8.0, το οποίο λαμβάνει υπόψη τη συχνότητα και την ποσότητα άρδευσης, καθώς και την εδαφική υγρασία, η οποία χρησιμοποιείται από την καλλιέργεια για την κάλυψη των αναγκών της. Επομένως, η επιλογή αυτή είναι πιο ακριβής, αφού προκύπτει διαφορετική για κάθε εδαφική κατηγορία και για κάθε αρδευτικό πρόγραμμα. Τον υπολογισμό των ΥΑ με τις μεθοδολογίες που προαναφέρθηκαν, ακολούθησε υπολογισμός της υδατικής κατανάλωσης του κάμπου Χανίων, με τη βοήθεια του ΥΑ, αθροίζοντας την υδατική κατανάλωση όλων των αρδευτικών μονάδων της περιοχής. Σκοπός ήταν να επισημανθούν οι αρδευτικές μονάδες όπου παρατηρήθηκε μείωση της υδατικής κατανάλωσης ώστε να διαπιστωθεί κατά πόσο είναι αποτελεσματική η αλλαγή των καλλιεργειών, καθώς και ο βαθμός μείωσης αναλόγως της μεθόδου υπολογισμού. Κατά την αξιολόγηση της αναδιάρθρωσης των καλλιεργειών στον κάμπο, κρίθηκε ορθή η επιλογή εγκατάλειψης ορισμένων καλλιεργειών (εσπεριδοειδή) και η αντικατάσταση τους (με αβοκάντο), ανεξάρτητα από τη μέθοδο υπολογισμού του ΥΑ. Επιπλέον, έγινε σύγκριση των ΥΑ των καλλιεργειών της περιοχής μελέτης με τα ΥΑ των αντίστοιχων καλλιεργειών που αναπτύσσονται στην πεδιάδα Μεσσαράς, τα οποία υπολογίστηκαν από την Σταθάτου (2011), και έγινε προσπάθεια εντοπισμού των αιτιών που οδηγούν στις διαφορές μεταξύ τους. Me την ολοκλήρωση της διπλωματικής εργασίας διαπιστώθηκε ότι: (α) Η κατάταξη των καλλιεργειών (από άποψη υδατικών καταναλώσεων) παρουσιάζει μικρές διαφορές, αναλόγως της μεθόδου υπολογισμού. Οι διαφορές στην κατάταξη όμως δεν είναι τέτοιες ώστε να οδηγήσουν σε σημαντικά διαφορετικά συμπεράσματα. Για παράδειγμα, τα σανά σύμφωνα με τις μεθόδους Blaney - Criddle και Penman - Monteith είναι πιο απαιτητικά σε νερό από τα αβοκάντο κατά το ξηρό σενάριο, ενώ με τη μέθοδο Hargreaves είναι λιγότερο απαιτητικά. Ωστόσο, τα ΥΑ των δύο καλλιεργειών για κάθε μέθοδο είναι της ίδιας τάξης μεγέθους, οπότε η διαφορά αυτή δεν οδηγεί σε λάθος επιλογές για τη διαχείριση των υδατικών πόρων. (β) Οι ποσότητες των λιπασμάτων που εφαρμόζονται ανά περιοχή επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό το ΥΑ. Επιπλέον, το μπλε ΥΑ μπορεί να εμφανίζει σημαντική διαφοροποίηση όταν έχει υπολογιστεί μόνο για την αρδευτική περίοδο της καλλιέργειας για κάθε περιοχή και όταν έχει υπολογιστεί για όλους τους μήνες ανάπτυξης των καλλιεργειών. (γ) Συγκρίνοντας την υδατική κατανάλωση, η οποία προσεγγίστηκε με τη βοήθεια των ΥΑ υπολογισμένα με διάφορες μεθόδους, εμφανίζονται σημαντικές αποκλίσεις. Για παράδειγμα, για το μέσο υδρολογικό σενάριο με τις υφιστάμενης συνθήκες (σενάριο ΒΑ), η διαφορά του όγκου σύμφωνα με τη μέθοδο Penman - Monteith και του όγκου όταν το ΥΑ υπολογίστηκε για την πραγματική εξατμισοδιαπνοή με τη χρήση του CROPWAT 8.0 αγγίζει το 20%. Επομένως, όταν ζητείται η σύγκριση δύο διαφορετικών σεναρίων, είναι σκόπιμο να υιοθετείται η ίδια μέθοδος υπολογισμού ΥΑ για τα δύο σενάρια.

Water is an irreplaceable natural resource. Global water resources are under increasing pressure from rapidly growing demands. The amount of fresh water available has some upper limits. In Greece, as in many other countries, the water demand is the greatest (summer) when the availability in nature is minimal. Therefore, there is an urgent need for better management of the planet’s water resources. In order to achieve a better water management, the estimation of the spatiotemporal distribution of water consumption is vital. The Water Footprint (WF) of a crop is an empirical indicator of how much water is consumed, when and where. This indicator was introduced in 2002 by A. Y. Hoekstra. A WF consists of three components: blue, green, and grey. The blue water footprint is the volume of freshwater that evaporated from the global blue water resources (surface water and ground water) to produce the goods. The green water footprint is the volume of water evaporated from the global green water resources (rainwater stored in the soil as soil moisture). The grey water footprint is the volume of polluted water that associates with the production of goods. The latter can be estimated as the volume of water that is required to dilute pollutants to such an extent that the quality of the water remains at or above agreed water quality standards. The total WF of the process of growing crops or trees is the sum of the green, blue and grey components. In this study, the WF is used as a tool for the evaluation of the water management in the plain of Chania, which is considered to be one of the most developed agricultural areas of Greece. The area faces saturation because of the expansion of irrigation networks and is undergoing restructuring of the irrigated land. The aim of this study was to assess the trend to change the culture of the region in terms of water consumption, so we calculated WF and water consumption in four scenarios (dry - basic, average - basic, dry - the future, average - future). The WF was proofed to be a useful tool as it is a multidimensional indicator, showing volumes but also making explicit the type of water use (evaporation of rainwater, surface water or groundwater, or pollution of water) and the location and timing of water use. Therefore, with the use of WF we can identify the most water intensive crops (with the largest total WF), those most polluting (with the largest grey WF) and those that are putting under pressure on water resources in the region (with the largest blue WF). The calculation of the WF of growing a crop is clearly defined, but left to the discretion of the designer the choice of method for calculating evapotranspiration and effective rainfall. In this study, the WF of each crop was calculated by applying different methods of evapotranspiration (Blaney Criddle, Hargreaves, Penman - Monteith) and effective rainfall (USDA 1970, USDA proposed by the software CROPWAT 8.0), in order to determine whether the selection of the method applied may lead to different conclusions regarding the water management. According to Hoekstra et al. (2011), there are two different processes for calculating the WF, considering that: (a) The irrigation requiremenrs of the crop are fully met, thus making use of equations Blaney - Criddle, Hargreaves, Penman - Monteith that calculate evapotranspiration. To make the calculations we used the Excel, but the evaporation based on the equation Penman - Monteith was calculated by using the software CROPWAT 8.0. (b) The water consumption for each crop is equal to actual evapotranspiration. In this study the actual evapotranspiration was calculated by the software CROPWAT 8.0, which takes into account the frequency and amount of irrigation and the soil moisture, which is used by the crop. Therefore, this option is more accurate, since it help us calculate different WF for each area, according to the soil type and the irrigation schedule that is applied in the area. As a part of this study, the water consumption at the irrigated area of the plain of Chania calculation of, using the WF of the crops and trees growing in the area. The aim was to identify the irrigation units where there was a reduction of water consumption, so as to determine how effective is the the restructuring of the irrigated land, and the amount of the reduction depending on the method of calculation. Comparing the basic and the future scenario, regarding the crops growing in the area, we conclude that the future scenario is less water - demanding, no matter what method was used to calculate the WF. Furthermore, we compared the WF of crops which grow in the area with the WF of these crops growing in the Messara valley, which were calculated from Stathatou (2011), in order to identify the causes that lead to the calculation of different WF of the same crop, in different areas. Some of the main conclusions of this study are that: (a) The classification of crops (in terms of water consumption), according their WF, varies slightly depending on the method of calculation. For example, according to the Blaney - Criddle and Penman - Monteith equations hay is more water demanding than avocados during the dry scenario, while according to the Hargreaves equation is less demanding. However, the WF of the two crops are similar, so the difference that appears according to the method is acceptable. (b) The quantities of fertilizer applied per region significantly affect the WF. Furthermore, the blue WF can show significant variation, comparing it when is calculated only for the irrigation season and when is calculated for all the duration of the crop growth. (c) Comparing the water consumptions, based on the different WF which are calculated by applying the various methods described above, we can meet significant deviation. So when asked to compare two different scenarios, we should adopt the same method of calculation of WF for both scenarios.