Μέθοδοι διερεύνησης γεωπεριβαλλοντικών κινδύνων και υδατικών πόρων, στη λεκάνη του Σπερχειού ποταμού, με την αξιοποίηση γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών και τηλεπισκόπησης

Abstract

Human activities and climate change constitute the contemporary catalyst for natural processes and their impacts, i.e. geo-environmental hazards. Globally, natural catastrophic phenomena and hazards, such as soil erosion, flooding, quantitative and qualitative degradation of groundwater, etc., are intensified by anthropogenic factors. So, they present rapid increase in intensity, frequency of occurrence, spatial density and significant spread of the areas of occurrence. The impact of these phenomena is devastating to human life, private holdings, infrastructure, etc., while in a wider context it has a very negative effect on the social, environmental and economic status of the affected region.Technological developments and scientific advances that take place in the late 20th and early 21st centuries can be the countermeasure of this reality. Furthermore, technological and scientific development seems to continue with exponential progress in the years to come. Important techniques, tools, models, databases, etc., such as Geographic Information Systems (GIS) and Remote Sensing, attempt to play a leading role in predicting, preventing, researching, addressing, rehabilitating and managing these phenomena and their effects. These technologies and scientific practices already occupy a remarkable part of global bibliography and academic research.This PhD Dissertation attempts to develop integrated geo-environmental research and management methods for the phenomena of soil erosion, flooding and groundwater potential and vulnerability. The aim of the dissertation is to utilize multiple types of data, the majority of them freely available from open databases, and the use of software that can be either commercial or free (depending on user choice), thereby reducing the cost of research in a high degree. In addition, the purpose of the developed methods is to reduce the time to produce exploitable results, to overcome important obstacles that arise in field research, but mainly to create targeted directions for its implementation (in-situ research) whenever this is required.As the pilot area for developing and applying the above methods the hydrological basin of Sperchios river was chosen, which is located in East Central Greece. The reason for this selection lies in the fact that this basin suffers by long-lasting phenomena of soil erosion and floods with devastating consequences. In addition, a variety of aquifers (different types) are developed in the area, several of which are degraded quantitatively and qualitatively. More specifically, erosion and soil material transferring, which take place in the basin, result in significant geomorphological changes, natural hazards and degradation of soils and water resources. In addition, catastrophic floods occur in the basin due to its intense torrential character in higher elevations and its large lowland area with very low slopes, mainly from its central up to its deltaic part and coastline. Finally, the aquifers developed in the basin are subject to significant pressures from overexploitation, salinization, etc. Human activities along with the consequences of climate change enhance the intensity, characteristics and evolution over time of the above phenomena. All of the above, therefore, make Sperchios river basin a suitable research field for the development of research and management methods for these phenomena and processes and water resources in general.Thus, in the frame of this PhD dissertation, the phenomenon of soil erosion is researched by developing the STELLAR model. It is a spatial-estimation vulnerability model for soil erosion based on the Multi-Criteria Evaluation (MCE) technique, developed in GIS environment. After the development and application of the STELLAR model, a sensitivity analysis is performed, which demonstrated the high stability of the method (differences between the tested scenarios were below 10 %). Moreover, STELLAR model is co-evaluated and compared with the globally accepted RUSLE model (Revised Universal Soil Loss Equation), in GIS environment. The comparison of the results produced by the two models shows an extremely high matching, proving the very good predictive capability of the STELLAR model.Flood phenomena are approached by developing the Flood Susceptibility Index (FSI) and the R-M-R integrated methodological framework. The index for estimating flood susceptibility (FSI) utilizes Sentinel-1 satellite data and geostatistical spatial analysis techniques and is developed in GIS environment. Following its development and implementation, the standard ROC (Receiver Operating Characteristic) Curve Analysis validation method was used to evaluate the predictive value of the model, which was estimated to be extremely high (97 %). The R-M-R methodological framework that is being developed is a modern and integrated system – framework for the analysis and simulation of floods and the assessment of flood-affected areas. It utilizes EUMETSAT and Sentinel-1 remote sensing data, HEC-HMS and HEC-RAS hydrological and hydraulic models respectively and GIS. The results of the R-M-R framework are assessed as very positive and produce the necessary knowledge for its further improvement and development.Furthermore, quantitative and qualitative groundwater research is attempted by developing and implementing the IRGwPi compound index and the IGwVM model. The IRGwPi index is an integrated estimation index for recharge zones and potential groundwater development sites utilizing, among others, Landsat-8 satellite data and MIF (Multi-Influencing Factors) technique and is developed in GIS environment. The IGwVM model is an integrated groundwater aquifer vulnerability estimation model, which exploits Landsat-8 satellite data and AHP (Analytical Hierarchy Process) technique and is also developed in GIS environment. The results of the two new above referred methods (index and model) were compared and evaluated with real field data and laboratory analyzes, showing very close approximation to each other. Finally, a combination of the IRGwPi index and the IGwVM model took place to assess the exploitation perspective of groundwater. The result of this combination is a very useful tool for research and management of groundwater resources.In conclusion, this PhD dissertation contributes to scientific knowledge with the development and proposition of new – contemporary methods for research and management of geo–environmental hazards and water resources, by using low – to – zero cost primary data and software. Geographical Information Systems, Remote Sensing, free simulation models (HEC-RAS, HEC-HMS), as well as modern techniques of geostatistical, spatial and multicriteria analysis that were used, are the main structural features of these methods and their effectiveness. The future prospect of these proposed methods is unlimited as they can be enriched, expanded and developed alongside the scientific and technological evolution.

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 χαρακτηριστικά 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.