ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΤΗΣ ΕΔΑΦΙΚΗΣ ΑΠΩΛΕΙΑΣ ΣΤON ΕΘΝΙΚΟ ΔΡΥΜΟ ΑΙΝΟΥ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ rmmf, ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ KAI ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΩΝ

Transcript

1 ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΤΗΣ ΕΔΑΦΙΚΗΣ ΑΠΩΛΕΙΑΣ ΣΤON ΕΘΝΙΚΟ ΔΡΥΜΟ ΑΙΝΟΥ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ rmmf, ΤΗΛΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗΣ KAI ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΩΝ Ξανθάκης, Μιχαήλ 1,* 1 Δασολόγος-Δρ. Γεωγραφίας, Φορέας Διαχείρισης Εθνικού Δρυμού Αίνου, Περιβαλλοντικό Κέντρο Κούταβου, Αργοστόλι Κεφαλονιά 28100, Τηλ./Fax: , mxanthakis@yahoo.com Περίληψη Η εδαφική διάβρωση λόγω απορροής αποτελεί την κυριότερη αιτία εδαφικής απώλειας στην Ελλάδα και ειδικότερα στην Κεφαλονιά, όπου οι χειμερινές καταιγίδες μεγάλης ραγδαιότητας είναι συχνές. Στον Εθνικό Δρυμό του Αίνου, λόγω του έντονου αναγλύφου και των απότομων κλίσεων εμφανίζονται συχνά φαινόμενα έντονης εδαφικής διάβρωσης. Ο σκοπός αυτή της εργασίας είναι η ανάπτυξη μίας μεθοδολογίας που βασίζεται στο συνδυασμό των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (Γ.Σ.Π.) και της Τηλεπισκόπησης για την δημιουργία ενός χωρικού χάρτη εδαφικής απώλειας για την προστατευόμενη περιοχή του Εθνικού Δρυμού Αίνου. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε το αναθεωρημένο μοντέλο εκτίμησης της εδαφικής απώλειας των Morgan Morgan Finney. Ο πυρήνας και η περιφερειακή ζώνη του Εθνικού Δρυμού Αίνου της νήσου Κεφαλονιάς επιλέχθηκαν ως περιοχή έρευνας. Τα δεδομένα εισόδου που δόθηκαν στο μοντέλο προήλθαν από την επεξεργασία δορυφορικών εικόνων Landsat, χαρτών βλάστησης της περιοχής μελέτης, μετεωρολογικών και στατιστικών δεδομένων και πληροφοριών πεδίου. Αρχικά, με βάση τα δεδομένα αυτά, δημιουργήθηκαν χωρικοί χάρτες και χωρικές βάσεις γεωγραφικών δεδομένων. Στην συνέχεια, οι πλεγματικοί χάρτες χρησιμοποιήθηκαν ως δεδομένα εισόδου στο μοντέλο rmmf και εκτιμήθηκαν: η ενέργεια της βροχόπτωσης, η απορροή, η αποκόλληση των εδαφολογικών μορίων από την πρόσκρουση των σταγόνων της βροχής, η αποκόλληση των εδαφολογικών μορίων λόγω απορροής και η εκτίμηση της εδαφικής απώλειας δημιουργώντας τους αντίστοιχους χωρικούς χάρτες με τη χρήση των GIS. Από την ανάλυση των δεδομένων προέκυψε ότι το 67,46% της προστατευόμενης περιοχής δεν αντιμετωπίζει πρόβλημα διάβρωσης, έναντι ποσοστού 14,14% που εμφανίζει μέτριο ρυθμό και ποσοστό 18,40% της περιοχής, που εμφανίζει υψηλό ρυθμό εδαφικής διάβρωσης. Η ορθότητα του χάρτη της εδαφικής απώλειας πιστοποιήθηκε με τη βοήθεια ορθοφωτοχάρτη υψηλής χωρικής διακριτικής ικανότητας (0,5 m) του δορυφόρου GeoEYE. Λέξεις Κλειδιά: Εθνικός Δρυμός Αίνου, Μοντέλο Εδαφικής Διάβρωσης rmmf, Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών, Τηλεπισκόπηση SOIL LOSS ESTIMATION IN MOUNT AINOS NATIONAL PARK IN CEPHALONIA ISLAND BASED ON rmmf SOIL EROSION MODEL, REMOTE SENSING AND GIS Xanthakis, Michael 1,* 1 Forester,Dr Geography, Management Body of Ainos National Park, Koutavos Environmental Centre, Argostoli Cephalonia 28100, Tel , mxanthakis@yahoo.com, Web: Abstract Soil erosion by water is the major cause of soil degradation in Greece, especially in mountainous areas. The aim of this study was to develop a methodology based on GIS and Remote Sensing for prediction of soil loss in mount Ainos National Park in Cephalonia Island in Greece and to produce a spatial map of soil loss. For this purpose, a revised version of Morgan Morgan Finney erosion model (rmmf) for prediction of annual soil loss by water was used. Mount Ainos National Park was selected as study area. The input data of the model was provided from existing maps, research reports, meteorological and statistical data and information obtained from field studies. The data 1

2 were transformed into digital map layers and a database was created. A Landsat image was classified into land use categories and a NDVI map of the study area were produced to help predict the vegetation management factor (C) of the model. Raster images of factors of rmmf model that include: estimates of rainfall energy, runoff, soil particle detachment by raindrop impact, soil particle detachment by runoff, transport capacity of runoff and estimation of erosion were produced using digital map layers in GIS. The results of rmmf model show that 67,46% of the study area was not prone to soil erosion phenomena in contrast to 14,14% which has medium and 18,40% which has high erosion rate. The method showed that the rmmf model can be used in mountainous areas of Greece together with other technological tools like GIS and Remote Sensing in order to be used for management purposes and the protection of biodiversity. Key words: Ainos National Park, rmmf soil erosion model, GIS, Remote Sensing, spatial analysis 1. Εισαγωγή Η εδαφική διάβρωση είναι μια φυσική διαδικασία στην οποία εδαφικά υλικά αποκολλώνται και μεταφέρονται με τη βοήθεια του υδρογραφικού δικτύου είτε σε άλλο σημείο της λεκάνης απορροής, είτε στη θάλασσα. Θεωρείται η πιο κοινή διαδικασία που οδηγεί στην εδαφική υποβάθμιση και ως τέτοια επηρεάζει σημαντικά τη βιώσιμη χρήση της γεωργίας και της δασοπονίας. Στην Ελλάδα, η εδαφική διάβρωση επηρεάζει 3,5 εκατομμύρια εκτάρια γης και επομένως ένα ποσοστό 26,5 % της χώρας επηρεάζεται από το φαινόμενο (Mitsios et al., 1995). Η χρήση της Τηλεπισκόπησης σε συνδυασμό με λογισμικό Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών για τον υπολογισμό παραμέτρων μοντέλων εδαφικής απώλειας έχει αναδειχθεί σε πολλές έρευνες ανά τον κόσμο (Morgan, 1985; Oslin et al. 1988; Lee 1989; Sharma and Surendra 1995; Paracchini et al. 1997; Metternicht and Zinck 1998; Morgan et.al., 1998; Kirkby et al. 2000; Paracchini et al. 2000). Το μοντέλο εδαφικής διάβρωσης, για παράδειγμα, που χρησιμοποιήθηκε για τις Μεσογειακές περιοχές με τη συντομογραφία SEMMED, που βασίζεται στο μοντέλο Morgan- Morgan και Finney (Morgan and Finney, 1982) προσομοιώνει τις διεργασίες εδαφικής απώλειας σε ευρεία κλίμακα. Το μοντέλο χρησιμοποιεί δορυφορικές εικόνες, ψηφιακά μοντέλα εδάφους και μία βάση δεδομένων εδαφικών χαρακτηριστικών. Το μοντέλο αποδείχθηκε ότι μπορεί να αποδειχθεί πολύτιμο εργαλείο στην εκτίμηση της εδαφικής διάβρωσης σε μεγάλες κλίμακες (De Jong και Riezebos, 1997). Για τους παραπάνω λόγους στην παρούσα εργασία επιλέχθηκαν η Τηλεπισκόπηση και τα Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών για την εκτίμηση της εδαφικής απώλειας σε ένα ορεινό περιβάλλον, όπως αυτό του Εθνικού Δρυμού του Αίνου, στο νησί της Κεφαλονιάς, στο Ιόνιο πέλαγος. Με βάση τις παραπάνω αναλύσεις του προβλήματος της εδαφικής διάβρωσης στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται μια μέθοδος εκτίμησης της εδαφικής απώλειας με τη χρήση του αναθεωρημένου μοντέλου των Morgan, Morgan και Finney (rmmf) (Morgan, 2001), δορυφορικών εικόνων και τη βοήθεια λογισμικού Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών. 2. Δεδομένα και μεθοδολογία Η αρχική βάση δεδομένων για την εφαρμογή του μοντέλου περιελάμβανε: Τοπογραφικούς χάρτες κλίμακας 1: Landsat-7 ETM+ εικόνα με ημερομηνία λήψης 06 Ιουνίου GeoEYE δορυφορική εικόνα υψηλής χωρικής ανάλυσης έτους Χάρτες γαιών και γαιοϊκανότητας σε κλίμακα 1: του Υπουργείου Γεωργίας. Κλιματικά δεδομένα από το μετεωρολογικό σταθμό του Αίνου. Γεωλογικό χάρτη της περιοχής, κλίμακας 1: Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε χωρίστηκε σε τρεις φάσεις: Η πρώτη φάση περιελάμβανε ψηφιοποίηση και δημιουργία μιας χωρικής βάσης γεωγραφικών δεδομένων για την περιοχή μελέτης. Η δεύτερη φάση περιελάμβανε την δημιουργία των χωρικών χαρτών των παραμέτρων 2

3 του μοντέλου εδαφικής διάβρωσης και η τρίτη φάση περιλάμβανε την εφαρμογή των εξισώσεων του μοντέλου, τη δημιουργία του χάρτη εδαφικής διάβρωσης και την ανάλυση των αποτελεσμάτων. Το λογισμικό επεξεργασίας της Γεωγραφικής Πληροφορίας που χρησιμοποιήθηκε ήταν το ArcGIS 10 της ESRI (ESRI, 2013), το οποίο χρησιμοποιήθηκε για την επεξεργασία των χωρικών δεδομένων της περιοχής μελέτης. Οι αναλογικοί χάρτες ψηφιοποιήθηκαν και μετατράπηκαν σε ψηφιακά χωρικά δεδομένα γεωλογίας, εδαφολογίας, βλάστησης, τοπογραφίας κ.α. Τα χωρικά αυτά δεδομένα ενισχύθηκαν από μετρήσεις και παρατηρήσεις πεδίου για την επιφανειακή κάλυψη, τη κάλυψη της κομοστέγης των φυτών και του ύψους της κόμης της βλάστησης. Τα δεδομένα που αφορούν τα χαρακτηριστικά των εδαφών του Εθνικού Δρυμού πάρθηκαν από τα αποτελέσματα δύο εδαφοτομών που έγιναν στον Εθνικό Δρυμό του Αίνου από τη Διεύθυνση Δασών Κεφαλληνίας (Μιχαλές και Γαρτσώνη, 1996). Τα γεωλογικά δεδομένα από την ψηφιοποίηση του γεωλογικού χάρτη. Τα κλιματικά δεδομένα από τον πλησιέστερο μετεωρολογικό σταθμό στην περιοχή μελέτης που βρίσκεται στο Κεφαλληνιακό ίδρυμα ερευνών «ΕΥΔΟΞΟΣ» σε υψόμετρο m. Ο βαθμός κλίσεων (S) των εδαφών της περιοχής μελέτης προέκυψε από τη δημιουργία ψηφιακού μοντέλου εδάφους (DEM) από τις ισοϋψείς του τοπογραφικού χάρτη της περιοχής. Οι παράμετροι βλάστησης του μοντέλου rmmf παράχθηκαν από την δορυφορική εικόνα του δορυφόρου Landsat-7 ETM+. Η ταξινόμηση της κάλυψης γης της περιοχής μελέτης προέκυψε από την εφαρμογή επιβλεπόμενης ταξινόμησης της δορυφορικής εικόνας. Τα κανάλια του κόκκινου (κανάλι 3; μm), του κοντινού υπέρυθρου (κανάλι 4; μm) και υπέρυθρου (κανάλι 7, μm) χρησιμοποιήθηκαν για την ταξινόμηση. Από την επεξεργασία της δορυφορικής εικόνας υπολογίστηκε και ο δείκτης NDVI, ως χωρικός δείκτης από τη σχέση των καναλιών της εικόνας: (κανάλι 4 κανάλι 3) / (κανάλι 4+ κανάλι 3). Η επεξεργασία της δορυφορικής εικόνας έγινε με τη βοήθεια λογισμικού ERDAS Imagine 2011 (ERDAS, 2011) που διαθέτει ο Φορέας Διαχείρισης Εθνικού Δρυμού Αίνου. Η ακρίβεια της ταξινόμησης της δορυφορικής εικόνας επικυρώθηκε με τη βοήθεια δορυφορικής εικόνας υψηλής χωρικής ανάλυσης (0,5 m) από το δορυφόρο GEOEYE. Ο τελικός χάρτης χρήσεων γης που προέκυψε από την ταξινόμηση της δορυφορικής εικόνας περιελάμβανε τις εξής κατηγορίες: Δάσος, θαμνώνας, φρύγανα, αγροτικές καλλιέργειες, άγονες εκτάσεις και οικισμός. Εικοσιοχτώ (28) θεματικοί χάρτες παράχθηκαν με τη βοήθεια του λογισμικού Επεξεργασίας Γεωγραφικής Πληροφορίας, ώστε να εφαρμοστεί το μοντέλο εδαφικής διάβρωσης rμμf στην περιοχή μελέτης. Ο τελικός παραγόμενος χάρτης της εδαφικής απώλειας με βάση το μοντέλο για την περιοχή μελέτης επικυρώθηκε με τη βοήθεια της δορυφορικής εικόνας υψηλής χωρικής ανάλυσης. 2.1 Περιοχή έρευνας Ο Εθνικός Δρυμός Αίνου είναι ένα οικοσύστημα με μεγάλη οικολογική αξία και βρίσκεται στην νοτιανατολική πλευρά της Κεφαλονιάς. Η συνολική έκταση του πυρήνα είναι στρέμματα και το μέγιστο υψόμετρο ανέρχεται σε m, το οποίο αποτελεί ταυτόχρονα και το μεγαλύτερο σε όλα τα Ιόνια Νησιά. Ο πυρήνας συνίσταται από δύο περιοχές, ανεξάρτητες αλλά γειτονικές: τον Αίνο ή Μεγάλο Βουνό ( στρέμματα) και το Ρούδι (5.460 στρέμματα). Η περιφερειακή ζώνη του Δρυμού έχει οριστεί με βάση, την Ειδική Περιβαλλοντική Μελέτη του Όρους Αίνος (Υ.ΠΕ.ΧΩ.Δ.Ε., 2002) και αναφέρεται στο τελευταίο διαχειριστικό σχέδιο για το Δρυμό (Μιχαλές και Γαρτσώνη, 1996) και περιλαμβάνει τις δύο επαρχίες Κραναίας και Σάμης, έκτασης στρ. Μετά τον καθορισμό των νέων ορίων του πυρήνα και της περιφερειακής ζώνης η έκταση και των δύο ανέρχεται σε στρ. και αποτέλεσε την περιοχή έρευνας για την παρούσα εργασία (Σχήμα 1). Η ύπαρξη της Περιφερειακής ζώνης του Δρυμού δεν έχει ακόμη θεσπιστεί νομικά με υπογραφή Προεδρικού Διατάγματος. Κύριο χαρακτηριστικό της περιοχής μελέτης είναι το δάσος της κεφαλληνιακής Ελάτης (Abies cephalonica), το οποίο είναι το μοναδικό στην περιοχή των Ιονίων Νήσων και για την προστασία 3

4 του οποίου ιδρύθηκε το 1962, ο Εθνικός Δρυμός (Β.Δ. 776/62). Στον Εθνικό Δρυμό Αίνου, η Abies cephalonica εμφανίζεται επί των βορειοδυτικών παρυφών του όρους Ρούδι, ήδη από τα 550 m εντός του ανωτέρου ορίου της μακκίας βλάστησης, φθάνει δε υπό μορφή μεμονωμένων ατόμων περίπου μέχρι το υψόμετρο των m, πλησίον της κορυφής του Αίνου, Μέγας Σωρός. Η εξάπλωσή της, τόσο στο Ρούδι όσο και στον κύριο όγκο του Αίνου, δεν είναι συνεχής αλλά διακεκομμένη υπό μορφή μικρότερων ή μεγαλυτέρων συστάδων. Αλλά και οι συστάδες αυτές δεν είναι της ίδιας πυκνότητας. Γενικώς, είναι εντυπωσιακή η γυμνότητα των απότομων νοτιοδυτικών πλαγιών του Αίνου, η οποία οφείλεται στις καταστροφές που έχει υποστεί το δάσος (υλοτομίες, υπερβόσκηση, πυρκαγιές κ.λπ.) αλλά και στη δομή και την κλίση του εδάφους. Στο Όρος Ρούδι, εκτός από τα δάση της Abies cephalonica, κυριαρχούν υψηλής μακκίας βλάστησης με αείφυλλα πλατύφυλλα ημιδενδρώδη είδη (θαμνώνες). Στην περιφερειακή ζώνη του Εθνικού Δρυμού υπάρχουν οι πεδιάδες της Μολούς και των Ομαλών με κυρίαρχες καλλιέργειες το αμπέλι και την ελιά, φρυγανικές εκτάσεις όπου κυριαρχεί η ασφάκα (Flomis fruticosa), καθώς και οικισμοί περιμετρικά των Ορέων Αίνου και Ρουδίου (Φοίτος & Damboltd,1985). Το κλίμα της Κεφαλονιάς χαρακτηρίζεται από πολλές χειμερινές βροχοπτώσεις με ήπιους χειμώνες, μεγάλη ηλιοφάνεια και σχεδόν άνυδρο θέρος. Στο διεξοδικό έργο της Κοτίνη-Ζαμπάκα "Συμβολή στη μελέτη του κλίματος της Ελλάδας" (1983), παρουσιάζεται η διάκριση του κλίματος της χώρας σε διάφορες ζώνες. Σύμφωνα με την εν λόγω διάκριση, το κλίμα της Κεφαλονιάς κατατάσσεται στη θαλάσσια ή υποτροπική μεσογειακή ζώνη. Από τη μελέτη των στοιχείων, τα οποία αφορούν στο ύψος των κατακρημνισμάτων, προκύπτει ότι η περιοχή του Αίνου παρουσιάζει μέσο ετήσιο ύψος βροχής 1.228,3 mm. Η κατανομή των βροχοπτώσεων κατά τη διάρκεια του έτους παρουσιάζει μέγιστο το μήνα Ιανουάριο (261,5 mm) και ελάχιστη βροχόπτωση τον Ιούλιο (0,0 mm). O μέσος ετήσιος αριθμός ημερών βροχής είναι 125,7 (Καραγιάννη Β., 2010). Σχήμα 1. Η περιοχή έρευνας που οριοθετείται από την περιφερειακή ζώνη του Εθνικού Δρυμού Αίνου (μωβ γραμμή) Τα πετρώματα του Αίνου ανήκουν στη γεωτεκτονική ζώνη των Παξών (ή Προαπούλια). Στο όρος Αίνος επικρατούν ασβεστόλιθοι και δολομίτες κρητιδικής ηλικίας, λεπτοστρωματώδεις έως παχυστρωματώδεις πάχους 1500 m, ενώ στο Ρούδι εμφανίζονται τοπικά πυριτόλιθοι του Ανώτερου Κρητιδικού. Τα εδάφη της περιοχής του Εθνικού Δρυμού Αίνου είναι ορφνά, 4

5 ασβεστολιθογενή δασικά εδάφη, ισχυρά διαβρωμένα κατά θέσεις, ρηχά και εξαιρετικά χαλικώδη (Ματθαίος, 1978). 3. Αποτελέσματα Το μοντέλο εδαφικής διάβρωσης rmmf χωρίζει την εδαφική διάβρωση σε δύο φάσεις: τη φάση του νερού και τη φάση των φερτών υλών. Η φάση του νερού υπολογίζει την ενέργεια της βροχόπτωσης που χρειάζεται για την αποκόλληση των εδαφικών μορίων από την μάζα του εδάφους και τον όγκο της απορροής. Η φάση των φερτών υλών υπολογίζει το ρυθμό αποκόλλησης των εδαφικών μορίων από τη βροχόπτωση και την απορροή μαζί με τη μεταφορική ικανότητα της απορροής. Οι εκτιμήσεις του ολικού ρυθμού αποκόλλησης των εδαφικών μορίων και της ικανότητας μεταφοράς του ιζήματος συγκρίνονται και η ελάχιστη τιμή των δύο μεγεθών δίνει το μέγεθος της εδαφικής απώλειας στην περιοχή μελέτης. 3.1 Εκτίμηση της ενέργειας βροχόπτωσης Το μοντέλο εδαφικής διάβρωσης rmmf, λαμβάνοντας υπόψη την ετήσια βροχόπτωση και το συντελεστή υδατοσυγκράτησης Α - ο οποίος δέχεται τιμές μεταξύ 0 και 1 - υπολογίζει αρχικά το παράγοντα αποτελεσματικής βροχόπτωσης (Effective Rainfall (ER)) με βάση την εξίσωση 1: ER=R*A (1) Όπου R είναι η μέση ετήσια βροχόπτωση σε mm (1228,3 mm) και A παράγοντας που εκφράζει την συγκράτηση ποσοστού της βροχόπτωσης από το φύλλωμα της βλάστησης και δίνεται ως ποσοστό υδατοσυγκράτησης. Οι τιμές του συντελεστή Α δόθηκαν από την ελληνική και ξένη βιβλιογραφία (Morgan et al. 1984; Morgan 1991, Morgan and Vutzant, 2001 και Μπαλούτσος κ.α., 2006), ανάλογα με τον τύπο κάλυψης γης που προέκυψε από την ταξινόμηση της δορυφορικής εικόνας Landsat. Η αποτελεσματική βροχόπτωση (ER) διαιρείται σε αυτήν που φτάνει στο έδαφος ως κορμοαπορροή (Direct Throughfall (DT)) και σε αυτή που παραμένει στο φύλλωμα και φτάνει στο έδαφος με τη μορφή σταγόνων της βροχής (Leaf Drainage (LD)). Αυτός ο διαχωρισμός εξαρτάται από το ποσοστό κάλυψης της κομοστέγης της βλάστησης (Canopy Cover (CC)) στην περιοχή μελέτης και εκτιμάται με βάση τις εξισώσεις 2 και 3: LD=ER * CC (2) DT=ER LD (3) Οι τιμές του συντελεστή CC εκτιμήθηκαν έπειτα από μετρήσεις πεδίου στον Εθνικό Δρυμό και δίνονται στο Πίνακα 1. Η κινητική ενέργεια (Kinetic Energy) της κορμοαπορροής (KE(DT),J/m 2 ) υπολογίστηκε με βάση τυπική τιμή που αποδόθηκε στην ένταση της βροχόπτωσης (I=30 mm/h για εποχικά κλίματα, όπως είναι το Μεσογειακό κλίμα του Δρυμού) με βάση την εξίσωση 4. KE(DT)=DT(9,81+11,25 log 10 I) (4) Η κινητική ενέργεια της φυλλοροής (KE (LD); J/m 2 ) εξαρτάται από το ύψος της κόμης των φυτών στην περιοχή (Plant canopy Height (PH); m) και δίνεται με βάση την εξίσωση 5: ΚΕ(LD)=(15,8*PH 0,5 )-5,87 (5) Πίνακας 1. Υδατοσυγκράτηση (A), Ρυθμός πραγματικής και δυνητικής εξατμισοδιαπνοής (Et/Eo), ποσοστό επιφανειακής κάλυψης εδάφους (GC), ύψος κόμης φυτών (PH), φυτοκάλυψης (CC) και αποτελεσματικό υδρολογικό βάθος (ΕΗD) (Morgan et al. 1984; Morgan 1991, Mπαλούτσος κ.α., 2006). Χρήσεις γης A (%) Et/Eo GC PH(m) CC EHD Δάσος 40 0,95 0,70 7,00 0,70 0,20 Θαμνώνες αειφύλλων-πλατυφύλλων 20 0,86 0,80 2,00 0,90 0,11 Γεωργικές εκτάσεις 17 0,30 0,20 0,50 0,30 0,12 Φρύγανα 20 0,90 0,40 0,50 0,40 0,12 5

6 Γυμνό έδαφος 0 0,05 0,05 0,05 0,05 0,09 Οικισμός 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Το ύψος της κόμης των δέντρων, θαμνώνων, φρυγάνων και γεωργικών φυτών στην περιοχή μελέτης μετρήθηκε στο πεδίο με δειγματοληψία, είτε απευθείας με μετροταινία, είτε έμμεσα με τη βοήθεια υψομέτρου Haga που διαθέτει ο Φορέας Διαχείρισης. Οι τιμές που προέκυψαν δίνονται στο Πίνακα 2. Η ολική ενέργεια της βροχόπτωσης (KE; J/m 2 ) σύμφωνα με το μοντέλο rmmf δίνεται από τη σχέση 6: KE=KE(DT)+KE(LD) (6) 3.2 Εκτίμηση της απορροής Η διαδικασία για την εκτίμηση της ετήσιας απορροής (Q; mm), σύμφωνα με το μοντέλο, βασίζεται σε μεθοδολογία που ανέπτυξε ο Kirkby (1976), η οποία θεωρεί ότι η απορροή εμφανίζεται, όταν η ημερήσια βροχόπτωση υπερβαίνει την ικανότητα συγκράτησης υγρασίας από το έδαφος (R c σε mm) και ότι η ποσότητα της ημερήσιας βροχόπτωσης προσεγγίζεται μαθηματικά με εκθετική κατανομή. Η ετήσια απορροή εκτιμάται με βάση τον τύπο 7 και παρουσιάζεται στο χωρικό χάρτη του Σχήματος 2: Q=R*exp(-R c /R o ) (7) Όπου R: είναι η μέση ετήσια βροχόπτωση σε mm (R=1228,3 mm για την περιοχή του Εθνικού Δρυμού Αίνου) και R o : είναι η μέση βροχόπτωση ανά ημέρα βροχής στην περιοχή σε mm και δίνεται από τη σχέση 8: R o =R/R n (8) Όπου R n είναι ο αριθμός των ημερών βροχής μέσα σε ένα έτος, που για την περιοχή του Εθνικού Δρυμού Αίνου υπολογίζεται σε R n =125,7 ημέρες. Όποτε με εφαρμογή του τύπου έχουμε R o =9,54 mm/ημέρα βροχής. Σχήμα 2. Χάρτης της επιφανειακής απορροής της περιοχής μελέτης 6

7 Η ικανότητα συγκράτησης εδαφικής υγρασίας υπολογίζεται με βάση την σχέση 9: Rc=1000*MS*BD*EHD*(Et/Eo) (9) Όπου MS είναι η ικανότητα συγκράτησης υγρασίας από το έδαφος στην κατάσταση της υδατοϊκανότητας(% w w -1 ), BD είναι η φαινόμενη πυκνότητα του εδάφους (Mg m -3 ), EHD είναι το αποτελεσματικό υδρολογικό βάθος του εδάφους (m) και Et/Eo είναι ο λόγος της πραγματικής προς τη δυνητική εξατμισοδιαπνοή. Η περιοχή μελέτης εδράζεται πάνω σε ασβεστολίθους. Επίσης, στο διαχειριστικό σχέδιο του Αίνου δίνονται στοιχεία εδαφοτομών που πάρθηκαν από το πυρήνα του Εθνικού Δρυμού όπου και προέκυψε αναλογία μηχανικής σύστασης των εδαφών ως εξής: Πηλός (%):39,0, Άργιλος (%):32,16 και Άμμος (%):28,84, οπότε τα εδάφη της περιοχής μελέτης χαρακτηρίζονται αργιλοπηλώδη (clay loam) με βάση το σύστημα εδαφικής ταξινόμησης του Υπουργείο Γεωργίας των Η.Π.Α (U.S.D.A.), με πολλούς λίθους μέσα σε αυτά, οι οποίοι πολλές φορές κατά θέσεις σχηματίζουν ολόκληρο στρώμα επάνω στην επιφάνεια (λιθώνες). Ο όρος EHD εκφράζει το βάθος εδάφους κατά το οποίο η ικανότητα συγκράτησης υγρασίας ελέγχει τη δημιουργία απορροής. Εξαρτάται από βάθος και την πυκνότητα των ριζών. Τυπικές τιμές για τους παράγοντες EHD και Et/Eo με βάση τις χρήσεις γης που προέκυψαν στην περιοχή μελέτης, προήλθαν από τη βιβλιογραφία και δίνονται στο Πίνακα 1. Οι τιμές της ικανότητας συγκράτησης υγρασίας από το έδαφος στην κατάσταση της υδατοϊκανότητας (MS) και της φαινόμενης πυκνότητας (BD) για αργιλοπηλώδη εδάφη προέκυψε από τη βιβλιογραφία σχετική με το μοντέλο και ίση με 0,40 και 1,3 αντίστοιχα. 3.3 Αποκόλληση εδαφολογικών μορίων από τη δράση των σταγόνων της βροχής Η αποκόλληση εδαφολογικών μορίων από τη δράση των σταγόνων της βροχής υπολογίζεται στο μοντέλο εδαφικής διάβρωσης από την εξίσωση 10: F=K*KE*10-3 (10) Όπου Κ είναι ο συντελεστής εδαφικής διαβρωτικότητας και δίνεται σε g/j. Η τιμές του συντελεστή Κ προέκυψαν από την βιβλιογραφία (Morgan, 2001) με βάση το χαρακτηρισμό των εδαφών της περιοχής ίσος με 0,7 g/j. 3.4 Αποκόλληση εδαφικών μορίων από την απορροή Ο παράγοντας αυτός του μοντέλου εξαρτάται από το μέγεθος της απορροης Q, το βαθμό κλίσης των εδαφών (S) και την αντίσταση του εδάφους Z. Ο παράγοντας υπολογίζεται από τη σχέση 11: H=Z*Q*1.5*sinS*(1-GC) *10-3 (11) Όπου GC είναι το ποσοστό επιφανειακής κάλυψης από τη βλάστηση και εκτιμήθηκε στο πεδίο για κάθε κάλυψη γης ξεχωριστά και δίνεται στο Πίνακα 1. Για χαλαρά μη συνεκτικά εδάφη (COH, kpa), ο παράγοντας Ζ εκφράζει την αντίσταση του εδάφους στην εδαφική διάβρωση και υπολογίστηκε για την περιοχή μελέτης, με βάση βιβλιογραφικές πηγές για αργιλοπηλώδη εδάφη (COH=10 kpa) ίσος με 0,2 (εξίσωση 12): Z=1/(0,5*CΟΗ) (12) 3.5 Μεταφορική ικανότητα της απορροής Η εξίσωση (13) για τον υπολογισμό της μεταφορικής ικανότητας της απορροής (TC, Kg/m 2 ) δίνεται παρακάτω: TC=CQ 2 sins*10-3 (13) Όπου C είναι ο παράγοντας διαχείρισης της βλάστησης και είναι ίδιος με τους παράγοντες C και P της παγκόσμιας εξίσωσης εδαφικής απώλειας (USLE) (Wischmeier and Smith, 1965). Ο παράγοντας C του μοντέλου υπολογίστηκε με τη βοήθεια του κανονικοποιημένου δείκτη βλάστησης NDVI που προέκυψε από την επεξεργασία της δορυφορικής εικόνας Landsat. Επίσης, χρησιμοποιήθηκε ένα μαθηματικός τύπος (Εξίσωση14) που συνδέει το δείκτη NDVI με το παράγοντα C της βλάστησης (Van der Knijff et. al. 1999, 2000;Van Leeuwen and Sammons 2004): 7

8 C=e (-α((ndvi)/(β-ndvi))) (14) Όπου α και β είναι παράμετροι χωρίς μονάδες, που υπολογίζουν το σχήμα της καμπύλης μεταξύ του δείκτη NDVI και του παράγοντα C. Oι Van der Knijff et.al. (1999, 2000) βρήκαν ότι η παραπάνω εξίσωση έδωσε καλύτερα αποτελέσματα σε σχέση με άλλες γραμμικές εξισώσεις στην Ιταλική χερσόνησο που εφαρμόστηκε. Επίσης, οι τιμές 2 και 1 επιλέχθηκαν για τους παραμέτρους α και β, αντίστοιχα, αφού σύμφωνα με τη βιβλιογραφία είχαν τη μεγαλύτερη συσχέτιση. Ο παράγοντας S (βαθμός κλίσης σε μοίρες ( ο )), στην σχέση 13, υπολογίστηκε με τη βοήθεια ψηφιακού μοντέλου αναγλύφου (DEM). 3.6 Εκτίμηση της εδαφικής διάβρωσης Οι εκτιμήσεις της αποκόλλησης εδαφολογικών μορίων από τη δράση των σταγόνων της βροχής F και της απορροής H προστέθηκαν και έδωσαν το ολικό ετήσιο ρυθμό αποκόλλησης D. Στην συνέχεια έγινε σύγκριση του ολικού ρυθμού αποκόλλησης D και της ετήσιας ικανότητας μεταφοράς των εδαφικών μορίων TC και το ελάχιστό των δύο τιμών (Meyer and Wischmeier 1969) θεωρήθηκε ως τιμή ετήσιας εδαφικής απώλειας σε kg/m 2, η οποία όμως, μετατράπηκε σε ton/ha/έτος. και με βάση την παρακάτω εξίσωση 15: Εδαφική απώλεια σε ton/ha/έτος = Min (D*10, TC*10) (15) 4. Συμπεράσματα Σχήμα 3. Χάρτης εδαφικής απώλειας σύμφωνα με το μοντέλο rmmf της προστατευόμενης περιοχής του Εθνικού Δρυμού Αίνου χωρισμένος σε κλάσεις εδαφικής διάβρωσης. Παρατηρούμε ότι οι περιοχές Ν-ΝΑ του Δρυμού παρουσιάζουν έντονο ρυθμό εδαφικής διάβρωσης. Ο χάρτης εδαφικής απώλειας για την περιοχή μελέτης φαίνεται στο Σχήμα 3. Στο Σχήμα φαίνεται ότι το 67,46% της προστατευόμενης περιοχής εμφανίζει χαμηλό ρυθμό εδαφικής διάβρωσης (<0,5-10 t/ha/έτος) κυρίως λόγω της έντονης κάλυψης της περιοχής από δασική βλάστηση, το 14,14% παρουσιάζει μέτριο ρυθμό εδαφικής απώλειας (10-50 t/ha/έτος), ενώ ποσοστό 18,39% εμφανίζει υψηλό ρυθμό εδαφικής διάβρωσης (>50 t/ha/έτος). Ο χάρτης εδαφικής 8

9 απώλειας χωρίστηκε σε κλάσεις με βάση το ρυθμό διάβρωσης σε t/ha/έτος (<0,5, 0,5-1, 1-2, 2-5, 5-10, 10-20, και >50), οι οποίες παρουσιάζονται στον παρακάτω Πίνακα 2, όπως και το ποσοστό που καταλαμβάνει η καθεμία στην περιοχή του πυρήνα και της περιφερειακής ζώνης του Εθνικού Δρυμού Αίνου. Πίνακας 2. Κλάσεις εδαφικής διάβρωσης στην προστατευόμενη περιοχή του Εθνικού Δρυμού Αίνου, καθώς και το ποσοστό που καταλαμβάνει η καθεμία. Ρυθμός διάβρωσης <0.5 0, >50 (t/ha/έτος) Έκταση (%) 66,09 0,04 0,08 0,35 0,90 4,59 9,54 18,39 Η εφαρμογή της μεθοδολογίας που χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή του χωρικού χάρτη εδαφικής απώλειας έδωσε πολύ ικανοποιητικά αποτελέσματα όπως πιστοποιήθηκε και από την εξέταση του χάρτη με τη βοήθεια υψηλής ανάλυσης δορυφορικής εικόνας GeoEYE. H εφαρμογή του μοντέλου εκτίμησης της εδαφικής διάβρωσης rμμf στην προστατευόμενη περιοχή, μπόρεσε να προβλέψει τις εστίες φερτών υλών, που αποτελούν την πηγή αποκόλλησης εδαφικού υλικού κατά το ξέσπασμα πλημμυρικών φαινομένων. Οι περιοχές αυτές, όπως αναμέναμε, βρίσκονται στην Ν-ΝΑ πλευρά του Όρους Αίνος και στο διάσελο του Αγίου Ελευθερίου, που η υπερβόσκηση και η απώλεια του εδάφους είναι έντονη (Σχήμα 3). Συμπερασματικά, η εφαρμογή του μοντέλου εκτίμησης της εδαφικής διάβρωσης, σε ορεινές περιοχές, όπως αυτή του Εθνικού Δρυμού Αίνου, με τη χρήση σύγχρονων τεχνολογικών μέσων, επεξεργασία δορυφορικών εικόνων, μοντέλων εδαφικής διάβρωσης και εκτιμήσεις των παραμέτρων των μοντέλων στο πεδίο μπορεί να βοηθήσει στην αποτελεσματική διαχείριση των προστατευόμενων περιοχών από φαινόμενα εδαφικής διάβρωσης και στην υλοποίηση έργων για την προστασία των εδαφών και της βιοποικιλότητας. 5. Βιβλιογραφία Ελληνική Κοτίνη-Ζαμπάκα, Ι. Σ., 1983, Συμβολή στη μελέτη του κλίματος της Ελλάδας. Κανονικός καιρός κατά μήνα, Αθήνα. Καραγιάννη Β., 2010, Διαχείριση και προστασία των ενδημικών, απειλουμένων και σπανίων φυτών του. Εθνικού Δρυμού Αίνου, Μεταπτυχιακή εργασία, Πάτρα, σελ. Ματθαίος Σ., 1978, Κεφαλληνία Δι Ένα Καλλίτερον Μέλλον, Αθήνα, σελ Μιχαλές Β. και Ε. Γαρτσώνη, 1996: Γενικό Διαχειριστικό Σχέδιο Εθνικού Δρυμού Αίνου (Master Plan), Γενική Γραμματεία Δασών & Φυσικού Περιβάλλοντος, Διεύθυνση Δασών Κεφαλληνίας, Αργοστόλι, σελ Μπαλούτσος Γ., Α. Μπουρλέτσικας και Κ. Καούκης, 2006, Υδατοσυγκράτηση, διαπερατώσα βροχή και κορμοαπορροή στα αείφυλλα πλατύφυλλα της νοτιοδυτικής Ελλάδας, Δασική Έρευνα, 19: ΥΠΕΧΩΔΕ, Δ/νση Περιβαλλοντικού Σχεδιασμού, Τμήμα Διαχείρισης Φυσικού Περιβάλλοντος: 2002, Ειδική Περιβαλλοντική Μελέτη Όρους Αίνου, Αθήνα, σελ. 97. Φοίτος, Δ. και Damboltd, J., 1985, Η χλωρίδα της νήσου Κεφαλληνίας, Βοτ. Χρον. 15(1-2): Διεθνής De Jong, S.M., Riezebos, H.T.,1997, SEMMED: a distributed approach to soil erosion modeling, In: Spiteri, A. (Ed.), Remote Sensing '96: Integrated Applications for Risk Assessment and Disaster Prevention for the Mediterranean, Balkema, Rotterdam, pp ERDAS, 2013, ERDAS Imagine Field Guide, 4th. Ed., 2801 Buford Highway, N.E. Atlanta, Georgia, USA. ESRI, 2013, Understanding GIS the ARC/INFO Method, ISBN , California , USA. Kirkby, M.J., 1976, Hydrogical slope models: the influence of climate. In: Derbyshire, Geomorphology and Climate, Wiley, London, pp

10 Lee M.T., 1989, Soil Erosion, Sediment Yield, and Deposition in the Illinois River Basin, Sediment Transport Modelling, , In Proceeding of the International Symposium Helld at New Orleans, Louisiana, USA. August 14-18, New York, USA, American Society of Civil Engineer ins. Mitsios J., Pashalidis C., Panagias K., 1995, Soil erosion mitigation techniques to soil erosion, Zymel Editions, Athens. Metternicht G.I., Zinck J.A., ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing 53: Meyer, L.D., Wischmeier, W.H., 1969, Mathematical simulation of the process of soil erosion by water, Transactions of the American Society of Agricultural Engineers 12: and 762. Morgan, R.,P.,C., Finney, H.,J., 1982, Stability of agricultural ecosystems: validation of a simple model for soil erosion assessment, International Institute for Applied Systems Analysis Collaborative Paper, p Morgan R.,P.,C., Morgan D.,D.,V., Finney, H.,J., 1984, A Predictive Model for the Assessment of Soil Erosion Risk, Journal of Agricultural Engineering Research 30: Morgan, R.,P.,C., 1985, The impact of recreation on mountain soils: towards a predictive model for soil erosion, In: Bayfield, N.,G., Barrow, G.,C., The Ecological Impacts of Outdoor Recreation on Mountain Areas in Europe and North America. Rural Ecology Research Group Report, vol. 9, pp Morgan R.,P.,C., 1991, Soil Erosion and Conservation, Longman Scientific and Technical, John Wiley and Sons Inc. New York. Morgan, R.,P.,C., Quinton, J.,N., Smith, R.,E., Govers, G., Poesen, J.,W.,A., Auerswald, K., Chisci, G., Torri, D., Styczen, M.E., The European Soil Erosion Model EUROSEM.: a dynamic approach for predicting sediment transport from fields and small catchments, Earth Surface Processes and Landforms 23: Morgan R.,P.,C., 2001, A Simple Approach to Soil Loss Prediction: A Revised Morgan-Morgan- Finney Model. Catena 44: Oslin A.,J., Westsmıth R.,A., Morgan, D.,S., 1988, Streams: A Basin and Soil Erosion Model Using CADD Remote Sensing and GIS to Facilitate Watershed Management. ASAE Publication America Society of Agricultural Engineers 07, 88: Paracchini, M.,L., Minacapilli, M., Bertolo, F., Folving, S., 1997, Soil Erosion Modelling and Coastal Dynamics: A Case Study from Sicily. Remote Sensing Society: Observations and Interactions Nottingham. Paracchini, M.,L., Folving, S., Bertolo, F., Megiér, J., Watershed Monitoring and Modelling: Remote Sensing and GIS Applications in the Mediterranean Environment, in: M.,J., Haigh and J., Krecek, (Eds.) Environmental Reconstruction in Headwater Areas (Kluwer Academic Publishers), Dordrecht, Boston, London. Sharma K.,D., Surendra, S., 1995, Satellite Remote Sensing for Soil Erosion Modelling Using the ANSWERS Model, Hydrological Science Journal 14, 2: Van der Knijff, M., Jones, R.,J.,A., Montanarella, L., 1999, Soil erosion risk in Italy, EUR19022 EN. Office for Official Publications of the European Communities, Luxembourg, 54p. Van der Knijff M., Jones, R.,J.,A., Montanarella, L., 2000, Soil erosion risk assessment in Europe, EUR EN. Office for Official Publications of the European Communities, Luxembourg, 34p. Wischmeier, W., H. and D.,D., Smith., 1965, Predicting rainfall erosion losses from cropland east of the Rocky Mountains, Agric. Handbook 282, U.S. Gov. Print. Office, Washington, D.C. 10