Υπολογισμός Υδατικού Αποτυπώματος καλλιεργειών με χρήση Ψηφιακής Τηλεπισκόπησης

Abstract

Η ραγδαία ανάπτυξη του παγκόσμιου πληθυσμού τις τελευταίες δεκαετίες σε συνδυασμό με τις έντονες κλιματικές αλλαγές εντείνουν την ανησυχία για αλλοίωση του φυσικού περιβάλλοντος και την εξάντληση των διαθέσιμων φυσικών πόρων. Το γλυκό νερό είναι ένας από τους φυσικούς πόρους που αντιμετωπίζουν το σοβαρότερο πρόβλημα αφού η λειψυδρία απειλεί όλο και περισσότερες περιοχές του πλανήτη. Η επιτακτική ανάγκη για ορθολογική διαχείριση των αποθεμάτων γλυκού νερού οδήγησε στην έμπνευση της έννοιας του Υδατικού Αποτυπώματος. Το Υδατικό Αποτύπωμα (Water Footprint) είναι ένας δείκτης κατανάλωσης γλυκού νερού που εισήχθη το 2002 από τον A.Y.Hoekstra και ορίζεται ως ο όγκος του νερού που καταναλώνεται για την παραγωγή ενός αγαθού ή υπηρεσίας. Στην περίπτωση των καλλιεργειών ισούται με τον όγκο του γλυκού νερού που καταναλώνεται για την παραγωγή ενός τόνου γεωργικού προϊόντος από τη στιγμή της σποράς έως τη συγκομιδή. Το ΥΑ μιας καλλιέργειας αποτελείται από τρεις συνιστώσες: α. Τη μπλε συνιστώσα, η οποία εκφράζει την κατανάλωση αρδευτικού νερού. β. Την πράσινη η οποία ισούται με την κατανάλωση πράσινων υδατικών πόρων, δηλαδή της βροχόπτωσης και των κατακρημνισμάτων. γ. Τη γκρι συνιστώσα που εκφράζει τον όγκο του νερού που απαιτείται για τη διάλυση του ρυπαντικού φορτίου ώστε οι συγκεντρώσεις των ρύπων που καταλήγουν στον υδάτινο αποδέκτη να μην υπερβαίνουν τα αποδεκτά όρια. Ο υπολογισμός του συνολικού ΥΑ μιας καλλιέργειας, κατά Hoekstra & Chapagain, βασίζεται κυρίως σε στατιστικά στοιχεία αλλά και «in situ» μετρήσεις ενώ η διάκριση των υδατικών χρήσεων (μπλε και πράσινης συνιστώσας) είναι ιδιαίτερα δύσκολη με αποτέλεσμα να εισάγει μεγάλη αβεβαιότητα στο τελικό αποτέλεσμα. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας επιχειρήθηκε η εκτίμηση του ΥΑ καλλιεργειών με χρήση Ψηφιακής Τηλεπισκόπησης. Οι βασικές παράμετροι που εμπλέκονται στον υπολογισμό είναι η πραγματική εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας, οι επιφανειακές απορροές, η βροχόπτωση, ο όγκος του αρδευτικού νερού και η αποθηκευτικότητα του εδάφους. Ωστόσο η μεθοδολογία που αναπτύσσεται στα επόμενα κεφάλαια βασίζεται στην παραδοχή ότι η συνολική ποσότητα του νερού που καταναλώνεται κατά τη διαδικασία ανάπτυξης μιας καλλιέργειας (μπλε και πράσινη συνιστώσα) απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα μέσω της διαδικασίας της εξατμισοδιαπνοής, θεωρώντας την αποθηκευτικότητα του εδάφους και τις επιφανειακές απορροές αμελητέες. Οι τιμές της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής των καλλιεργειών αντλούνται μέσω του δορυφορικού δέκτη MODIS (προϊόν MOD16) και σε συνδυασμό με στατιστικά στοιχεία της γεωργικής παραγωγής υπολογίζεται συνολικό ΥΑ της καλλιέργειας. Η μέθοδος εφαρμόσθηκε για τρεις περιοχές του Ελλαδικού χώρου των οποίων το ΥΑ έχει υπολογισθεί σε προηγούμενες μελέτες με τη μέθοδο των Hoekstra και Chapagain. Τα αποτελέσματα συγκρίνονται και η μέθοδος αξιολογείται. Στη συνέχεια η μέθοδος εφαρμόζεται για το γεωγραφικό διαμέρισμα της Πελοποννήσου. Η χρήση της Ψηφιακής Τηλεπισκόπησης στην εκτίμηση του ΥΑ μπορεί να προσφέρει αξιόπιστα αποτελέσματα με μεγάλη ταχύτητα χωρίς τους περιορισμούς των υπαρχόντων μεθόδων. Ωστόσο βασικότερο μειονέκτημα είναι η αδυναμία διάκρισης μπλε και πράσινης συνιστώσας αφού το ΥΑ υπολογίζεται συνολικά. Ακόμα το μοντέλο υπολογισμού προσαρμόζεται με επιτυχία στα γεωμορφολογικά χαρακτηριστικά της Ελλάδας αλλά δεν μπορεί να δώσει ικανοποιητικά αποτελέσματα για περιοχές με έντονες επιφανειακές απορροές και εδάφη με υψηλή αποθηκευτικότητα.

The rapid growth of global population combined with severe climate change of the last decades intensifies concern about preservation of natural resources. Freshwater is among the resources facing serious problem of over-exploitation. The imperative need for rational management of water resources inspired the concept of Water Footprint (WF). The concept of Water Footprint was launched by A. U. Hoekstra in 2002 and is defined as the volume of water consumed to produce goods or services consumed by each individual or community. In case of crops, WF is defined as the volume of water consumed for their production. The WF of a crop consists of three components: a. Blue WF which stands for irrigation water b. Green WF which stands for rain c. Grey WF which is defined 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 calculation of WF by Hoekstra and Chapagain is primarily based on statistics and 'in situ' measurements as well. However, the difficulty of distinction between green and blue components imports significant uncertainty to the method. In this study, estimating WF of crops is attempted using Remote Sensing data. Evapotranspiration, irrigation, precipitation, water storage and run off are identified as key variables to potentially be estimated by Remote Sensing and used for WF assessment. However, the proposed method is based on the acceptance that the total volume of freshwater consumed for the crop production released into the atmosphere through evapotranspiration process, assuming water storage and run off are negligible. The total amount of crop evapotranspiration is obtained from MODIS (MOD16 product) and combined with statistics about yield crop the total WF is estimated. This method has been applied in three different areas of Greece, in which the WF of crops was estimated in previous studies with the method of Hoekstra and Chapagain. The results have been compared and the method was evaluated. In the end of the study, the method was applied for the estimation of the WF of crops in the entire prefecture of Peloponnese. Remote Sensing has been proved an important tool in the estimation of the WF, which can provide with quick and reliable results without the limitations of the traditional methods. However, the main disadvantage is the inability of estimating the green and blue component separately. In addition, this particular method adjusts successfully to the climatic characteristics of Greece but fails in regions with high levels of water storage and run off.