Οι Αλλαγές στις Χρήσεις Γης και η Επίδρασή τους στη Μέγιστη Πλημμυρική Παροχή Καστρίδης, Αρ. α και Στάθης, Δ. β Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Σχολή Δασολογίας και Φυσικού Περιβάλλοντος,Εργαστήριο Διευθέτησης Ορεινών Υδάτων, 54124 Θεσσαλονίκη α akastrid@for.auth.gr, β dstatis@for.auth.gr Περίληψη Στην παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκε η εκτίμηση των αλλαγών στις χρήσεις γης στη λεκάνη απορροής του Ολύνθιου χειμάρρου κατά τα έτη 1945 και 2007, καθώς και η επίδραση των αλλαγών αυτών στη μέγιστη πλημμυρική παροχή. Οι αλλαγές στις χρήσεις γης προσδιορίστηκαν διενεργώντας φωτοερμηνεία στις αεροφωτογραφίες της περιοχής με έτη λήψης 1945 και 2007. Τα πλημμυρογραφήματα της προσομοίωσης για τα δύο έτη υπολογίστηκαν χρησιμοποιώντας το μοντέλο βροχής - απορροής SCS-CN, ενώ ο υπολογισμός έγινε με τη βοήθεια του λογισμικού HEC-HMS. Η φωτοερμηνεία της περιοχής κατέδειξε ότι υπάρχουν αλλαγές στις χρήσεις γης που αφορούν κυρίως τις καλλιεργούμενες εκτάσεις. Κατεγράφη αύξηση της έκτασης των ελαιώνων και του δάσους κατά 10% και 2,5% αντίστοιχα. Από τα αποτελέσματα προκύπτει μείωση της μέγιστης πλημμυρικής παροχής κατά 8%. Η μείωση στη μέγιστη πλημμυρική παροχή οφείλεται κατά κύριο λόγο στη σταδιακή αλλαγή των καλλιεργειών της περιοχής με τη φύτευση ελιών σε εκτεταμένες εκτάσεις. Λέξεις κλειδια: μέγιστη παροχή, πλημμυρογράφημα, SCS-CN, χείμαρρος, χρήσεις γης Εισαγωγή Η υδρολογική αντίδραση των λεκανών απορροής έναντι των έντονων βροχοπτώσεων, είναι μία σύνθετη διαδικασία, η οποία εμπλέκει πολλούς παράγοντες. Οι πιο σημαντικοί παράγοντες, οι οποίοι επηρεάζουν την επιφανειακή απορροή και κατά επέκταση, τη μέγιστη πλημμυρική παροχή, είναι το κλίμα, το ανάγλυφο, το γεωλογικό υπόθεμα, η βλάστηση και η ανθρώπινη παρέμβαση. Από τους παραπάνω παράγοντες, το κλίμα, το ανάγλυφο και η γεωλογία μιας περιοχής μπορούν να θεωρηθούν σταθεροί, με την επίδρασή τους να μεταβάλλεται αργά με το πέρασμα πολλών δεκαετιών. Από την άλλη πλευρά, η βλάστηση και η ανθρώπινη επέμβαση στο φυσικό περιβάλλον είναι παράγοντες οι οποίοι μεταβάλλονται σχετικά πιο γρήγορα και έχουν άμεσο αντίκτυπο στην υδρολογία των λεκανών απορροής. Στην περιοχή έρευνας και συγκεκριμένα στη λεκάνη απορροής του Ολύνθιου χειμάρρου παρατηρούνται τις τελευταίες δεκαετίες σημαντικές αλλαγές στις χρήσεις γης. Η λεκάνη απορροής του Ολύνθιου χειμάρρου αποτελεί πεδίο πολλών και σημαντικών δραστηριοτήτων των κατοίκων, όπως η καλλιέργεια αγροτικών προϊόντων και ελαιώνων, ο τουρισμός, αλλά και οι δραστηριότητες εξόρυξης. Οι παραπάνω εργασίες ασκούν συνεχή πίεση στο φυσικό περιβάλλον. Σκοπός της εργασίας είναι η καταγραφή των αλλαγών στις χρήσεις γης, οι οποίες έλαβαν χώρα την περίοδο μεταξύ 1945-2007, η εκτίμηση της επίδρασης στην απορροή του νερού, η ποσοτικοποίηση και ποιοτική ανάλυση της μέγιστης πλημμυρικής παροχής του Ολύνθιου χειμάρρου. Ανασκόπηση της βιβλιογραφίας Οι αλλαγές στις χρήσεις γης έχουν απασχολήσει δεκάδες ερευνητές, ενώ έχουν αναπτυχθεί μεθοδολογίες και μοντέλα με τα οποία γίνεται προσπάθεια να προβλεφθούν οι επιδράσεις των αλλαγών στις χρήσεις γης πάνω στην μέγιστη πλημμυρική παροχή των χειμάρρων και ποταμών. Δεκάδες μελέτες έχουν υλοποιηθεί ανά τον κόσμο (Overland και Kleeberg 1991, Wiles-Skeels και Nichols 2004, Kundu και Olang 2011, Bingwa 2013, Schilling κ.α. 2014), στην Ευρώπη (Schultz 1995, Niehoff κ.α. 2002, Bettina Ott και Uhlenbrook 2004, Brath κ.α. 2006), αλλά και στην Ελλάδα (Pikounis κ.α. 2003, Μαραγκουδάκη και Τσακίρης 2005, Hatzopoulos κ.α. 2010, Stathis κ.α. 2010, Alexakis κ.α. 2014), οι οποίες αναγνωρίζουν το σημαντικό και θετικό ρόλο της βλάστησης στη μείωση 445
της απορροής και της μέγιστης πλημμυρικής παροχής των υδατορευμάτων, ενώ υπογραμμίζουν τον αρνητικό ρόλο της ανθρώπινης παρέμβασης μέσω της αποψίλωσης δασικών οικοσυστημάτων, της αστικοποίησης, αλλαγής καλλιεργειών και παρέμβασης στις φυσικές κοίτες χειμάρρων και ποταμών. Το μοντέλο εκτίμησης της μέγιστης πλημμυρικής παροχής (SCS-CN) το οποίο χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα έρευνα, είναι ένα από τα ευρέως χρησιμοποιούμενα μοντέλα, το οποίο δίνει αρκετά αξιόπιστα αποτελέσματα. Η αξιοπιστία του μοντέλου και η προσεκτική εκτίμηση των παραμέτρων του, δίνει το πλεονέκτημα εφαρμογής σε λεκάνες απορροής στις οποίες δεν υπάρχει δυνατότητα επαλήθευσης των αποτελεσμάτων, λόγω απουσίας μετρήσεων των πλημμυρικών αιχμών των χειμάρρων. Με γνώμονα τα παραπάνω έγινε η επιλογή του συγκεκριμένου μοντέλου, διότι στη λεκάνη απορροής του Ολύνθιου χειμάρρου δεν υπάρχουν μετρήσεις των πλημμυρικών αιχμών. Υλικά και μέθοδοι Η περιοχή έρευνας βρίσκεται στην Περιφέρεια Κεντρική Μακεδονίας, στην Περιφερειακή Ενότητα Χαλκιδικής (Σχήμα 1). Πιο συγκεκριμένα η λεκάνη απορροής του Ολύνθιου χειμάρρου καταλαμβάνει έκταση 240,89 km 2, το μέγιστο και ελάχιστο υψόμετρο είναι 1160m και 14m αντίστοιχα και το μέσο υψόμετρο 475m. Το ανάγλυφο της λεκάνης μπορεί να χαρακτηριστεί ως σχετικά ήπιο με μέση κλίση 20,38%, αφού το μεγαλύτερο μέρος καταλαμβάνεται από πεδιάδες με μικρές κλίσεις, ενώ σε μικρότερο βαθμό υπάρχουν κλίσεις μεγαλύτερες από 30%. Το γεωλογικό υπόθεμα αποτελείται κυρίως από σχηματισμούς, οι οποίοι δίνουν χειμαρρικά φαινόμενα συνήθους έντασης. (Πίνακας 1). Σχήμα 1. Περιοχή έρευνας Figure 1. Study area Η εκτίμηση των αλλαγών στις χρήσεις γης πραγματοποιήθηκε με την φωτοερμηνεία ορθοφωτοχαρτών της περιοχής έρευνας με ημερομηνία λήψης τα έτη 1945 και 2007, ενώ παράλληλα χρησιμοποιήθηκε και το CORINE 2000. Το γεωλογικό υπόθεμα προσδιορίστηκε από γεωλογικούς χάρτες, ενώ το ανάγλυφο από τοπογραφικούς χάρτες. Η μέγιστη παροχή του χειμάρρου υπολογίστηκε για τις δύο χρονικές περιόδους, χρησιμοποιώντας το συνθετικό πλημμυρογράφημα της Soil Conservation Service Curve Number (SCS CN) και με τη βοήθεια του λογισμικού HEC HMS 3.5 (Feldman 2000). Το συνθετικό πλημμυρογράφημα της SCS απαιτεί τον υπολογισμό των απωλειών της βροχόπτωσης μέσω της παραμέτρου CN. Ο υπολογισμός της παραμέτρου CN πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας πίνακες (Soil Conservation Service 1985) οι οποίοι δίνουν τιμές για διάφορους συνδυασμούς εδαφικής κατάστασης και χρήσεων γης. Οι πίνακες αυτοί είναι αποτέλεσμα έρευνας της SCS για διάφορους τύπους εδαφών και βλάστησης. Επίσης, για τον προσδιορισμό της παραμέτρου CN για τις περιοχές με 446
ελαιώνες, συνεκτιμήθηκαν τα αποτελέσματα ερευνών από περιοχές τις Μεσογείου (Arhonditsis 2002, Romero 2007). Πίνακας 1. Χειμαρρικοί πετρολογικοί σχηματισμοί της περιοχής έρευνας Table 1. Geology formations of the research area Χειμαρρικοί Πετρολογικοί Σχηματισμοί Εμβαδό (km 2 ) Εμβαδό (%) Προσχωσιγενής 20,88 8,67 Κρυσταλλοπυριγενής 121,49 50,43 Ασβεστολιθικός 7,37 3,06 Σχιστολιθικός 33,01 13,70 Νεογενής 58,13 24,13 Για τον καλύτερο ποιοτικό και χωρικό υπολογισμό της παραμέτρου CN χρησιμοποιήθηκε το αναθεωρημένο πλαίσιο εκτίμησης της παραμέτρου CN (Δευκαλίων 2013), δημιουργήθηκαν χωρικά (Raster) αρχεία για τις χρήσεις γης, την υδατοπερατότητα του εδάφους και τις κλίσεις του ανάγλυφου, τα οποία εισήχθησαν στο λογισμικό ArcGIS. Τέλος, για την προσομοίωση των πλημμυρών και τη δημιουργία των πλημμυρογραφημάτων που αφορούν στις δύο χρονικές περιόδους, χρησιμοποιήθηκαν τα μετεωρολογικά στοιχεία του σταθμού της Μ. Παναγίας και συγκεκριμένα της βροχόπτωσης 8-9 Οκτωβρίου 2006, η οποία είχε προκαλέσει σοβαρότατες καταστροφές. Το ύψος βροχής ανήλθε στα 131 mm σε 24 ώρες και αυτή η ένταση προσεγγίζει την περίοδο επαναφοράς 100 ετών, η οποία έχει υπολογιστεί για την περιοχή (Καστρίδης 2011). Αποτελέσματα Αλλαγές των χρήσεων γης της περιόδου 1945 2007 Από τη φωτοερμηνεία των αεροφωτογραφιών των περιόδων 1945 και 2007 προκύπτει ότι στην περιοχή έρευνας έχουν πραγματοποιηθεί αλλαγές στις χρήσεις γης, οι οποίες επιδρούν στη δημιουργία της επιφανειακής απορροής και στη μέγιστη πλημμυρική παροχή. Πιο συγκεκριμένα, σημειώνεται αύξηση της έκτασης η οποία καλύπτεται από δάσος περίπου 2,5%. Παράλληλα, η μείωση της καλλιεργούμενης έκτασης είναι σημαντική, περίπου 10%, ενώ η έκταση που καλύπτεται από ελαιώνες αυξήθηκε κατά 10% (Σχήμα 2). Είναι εμφανές ότι η τοπική κοινότητα της περιοχής `τις τελευταίες δεκαετίες έχει αντικαταστήσει ένα μέρος των συμβατικών καλλιεργειών με την εγκατάσταση ελαιώνων σε σημαντική έκταση. 447
Σχήμα 2. Κατανομή των χρήσεων γης τα έτη 1945 και 2007 Figure 2. Land use distribution the years 1945 and 2007 Υπολογισμός της παραμέτρου CN Η παράμετρος CN υπολογίστηκε στο ArcGIS χρησιμοποιώντας τρία αρχεία (raster), τα οποία περιγράφουν: α) τις χρήσεις γης, β) το ανάγλυφο της λεκάνης απορροής και γ) το γεωλογικό υπόθεμα. Η σύνθεση αυτών των αρχείων είχε ως αποτέλεσμα την εκτίμηση της παραμέτρου CN για το 1945 και το 2007, με τις μέσες τιμές της παραμέτρου να είναι 68,1 και 66 αντίστοιχα. Επίσης, στο σχήμα 3 απεικονίζεται η χωρική κατανομή της παραμέτρου CN στη λεκάνη απορροής για τα έτη 1945 και 2007. Μέγιστη πλημμυρική παροχή των ετών 1945-2007 Από την εφαρμογή του υδρολογικού μοντέλου SCS-CN προέκυψαν τα πλημμυρογραφήματα για τα έτη 1945 και 2007, έτη για τα οποία μελετώνται οι επιδράσεις των αλλαγών στις χρήσεις γης, οι οποίες περιγράφηκαν. Ο υπολογισμός των πλημμυρογραφημάτων έγινε με τη βοήθεια του λογισμικού HEC- HMS. 448
Σχήμα 3. Γεωγραφική κατανομή της παραμέτρου CN (αριστερά 1945, δεξιά 2007) Figure 3. Spatial distribution of the CN parameter (left 1945, right 2007) Από τα αποτελέσματα (Σχήμα 4) προκύπτει, ότι έχει σημειωθεί μείωση της μέγιστης πλημμυρικής παροχής μεταξύ 1945 και 2007. Η μείωση αυτή υπολογίζεται στα 21 m 3 /sec, δηλαδή μείωση περίπου 8%. Παράλληλα, οι συνολικές απώλειες της βροχόπτωσης ήταν 85,7 mm και 92,67 mm για το 1945 και το 2007, αντίστοιχα. Σχήμα 4. Πλημμυρικό υδρογράφημα για τα έτη 1945 και 2007 Figure 4. Flood hydrograph for the years 1945 and 2007 Συζήτηση Συμπεράσματα Από τα αποτελέσματα της έρευνας προκύπτει ότι υπάρχει μετρήσιμη μείωση της μέγιστης πλημμυρικής παροχής στη λεκάνη απορροής του Ολύνθιου χειμάρρου. Επίσης, καταγράφηκε αισθητή αλλαγή στις χρήσεις γης, κυρίως στις καλλιέργειες και μικρή αύξηση του ποσοστού δάσωσης. Η αύξηση του ποσοστού του δάσους πιθανών να συμβάλει στη μείωση της απορροής, αλλά μόνο σε μικρό βαθμό, διότι αντιστοιχεί σε πολύ μικρή αύξηση της δασικής έκτασης. Η μείωση στη μέγιστη 449
πλημμυρική παροχή οφείλεται κατά κύριο λόγο στη σταδιακή αλλαγή των βασικών καλλιεργειών της περιοχής με τη φύτευση ελιών σε μεγάλες εκτάσεις. Η ελιά, ακόμα και σε μορφή καλλιέργειας, μπορεί να επιτελέσει ως ένα βαθμό τον υδρολογικό της ρόλο, ως δασικό είδος. Έτσι, παρά το γεγονός ότι δεν υπήρξε μεταβολή των δασικών εκτάσεων στην περιοχή, καταγράφεται μείωση της πλημμυρικής παροχής, οι οποία οφείλεται στις ανθρώπινη δραστηριότητα. Η επίδραση της βλάστησης είναι πολύ σημαντική στη ρύθμιση της απορροής του νερού και ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια έντονων καιρικών φαινόμενων. Πρέπει να δοθεί βάρος στη διαχείριση των λεκανών απορροής, με τρόπο που να διασφαλίζεται η ισορροπία μεταξύ των ανθρώπινων δραστηριοτήτων και της διατήρησης του φυσικού περιβάλλοντος, έτσι ώστε να αποφθεχθούν πλημμύρες και καταστροφές, οι οποίες οφείλονται στον ανθρώπινο παράγοντα. Επίσης, πρέπει να δοθεί προσοχή σε περιοχές οι οποίες εγκαταλείφτηκαν από την ανθρώπινη δραστηριότητα, όπως για παράδειγμα εγκαταλειμμένοι αγροί, οι οποίες μπορούν να ανορθωθούν με κατάλληλους δασοκομικούς χειρισμούς και να αποδοθούν στο φυσικό περιβάλλον με πολλαπλά οφέλη και για τον άνθρωπο. The Land Use Change and the Infuence on the Maximum Discharge Kastridis, Ar. a and Stathis, D. b Aristotle University of Thessaloniki, Faculty of Forestry and Natural Environment, Laboratory of Mountain Water Management Control, 54124 Thessaloniki a akastrid@for.auth.gr, b dstatis@for.auth.gr Abstract The present research work undertakes a study on the land use change that took place between the years 1945 and 2007 in the drainage basin of Olynthos stream. Furthermore, the influence of the land use change on the maximum discharge of the steam was quantified. The land use change, referring to the two research years, was determined using the respective aerial photographs, conducting photo interpretation of the area. SCS-CN model and HEC-HMS software were used to estimate the flood simulation for the years 1945 and 2007. Significant land use changes were recorded in the research area and especially, changes in the cropland. The results showed an increase of the area that was covered by olive orchards and forest by 10% and 2% respectively. Also, a decrease of 8% of the maximum discharge between the years 1945 and 2007 was calculated. The decrease of the maximum discharge could be attributed to the gradual alteration of the cropland to olive orchards. The results highlight the significant influence of the land use, on the water runoff and parallel the hydrologic impact of olive orchards on the maximum discharge. Keywords: flood simulation, land use change, maximum discharge, SCS-CN, torrent Βιβλιογραφία Alexakis, D.D., Grillakis, M.G., Koutroulis, A.G., Agapiou, A., Themistocleous, K., Tsanis, K., Michaelides, S., Pashiardis, S., Demetriou, C., Aristeidou, K., Retalis, A., Tymvios, F., Hadjimitsis, D.G., 2014. GIS and remote sensing techniques for the assessment of land use change impact on flood hydrology: the case study of Yialias basin in Cyprus. Natural Hazards Earth System Sciences, 14, p.p. 413 426. Αrhonditsis, G., Giourga, C., Loumou, A., Koulouri, M., 2002. Quantitative Assessment of Agricultural Runoff and Soil Erosion Using Mathematical Modeling: Applications in the Mediterranean Region. Environmental Management, Vol. 30, No. 3, p.p. 434 453. Bingwa, F., 2012. A Quantitative Analysis of the Impact of Land use Changes on Floods in the Manafwa River Basin. Master of engineering in Civil and Environmental Engineering at the Massachusetts Institute of Technology. (http://dspace.mit.edu/handle/1721.1/82338) Brath, A,. Montanari, A., Moretti G., 2006. Assessing the effect on flood frequency of land use change via hydrological simulation (with uncertainty). Journal of Hydrology, 324, p.p. 141 153. 450
Δευκαλίων, 2013. Εκτίμηση πλημμυρικών ροών στην Ελλάδα σε συνθήκες υδροκλιματικής μεταβλητότητας: Ανάπτυξη φυσικά εδραιωμένου εννοιολογικού-πιθανοτικού πλαισίου και υπολογιστικών εργαλείων, σελ. 125 128. (https://www.itia.ntua.gr/getfile/1215/1/documents/report_wp3_1_1.pdf) Feldman, A.D., 2000. Hydrologic Modeling System HEC HMS. Technical Reference Manual. US Army Corps of Engineers, Hydrologic Engineering Center. (p.p. 37-38 and 114-118). Hatzopoulos, J.N., Santorinaiou, A., Gitakou, G., 2010. Coordination of public policies for flood protection using remote sensing and GIS technologies for coastal urban landscapes at water territories. ASPRS 2010 Annual Conference San Diego, California, April 26-30, 2010. Καστρίδης, Α., 2011. Φυσική και ανθρωπογενής πλημμυρογένεση του χείμαρρου Απολλωνίας αντιπλημμυρική διευθέτηση. Μεταπτυχιακή διατριβή, σελ. 94 98. (http://invenio.lib.auth.gr/record/125999/files/gri-2011-6363.pdf) Μαραγκουδάκη, Ρ., Τσακίρης, Γ., 2005. Επίδραση της Αστικοποίησης στα Χαρακτηριστικά της Πλημμύρας. Ελληνική Επιτροπή Διαχείρισης Υδατικών Πόρων. 5 ο Εθνικό Συνέδριο. Ολοκληρωμένη Διαχείριση Υδατικών Πόρων με βάση τη λεκάνη απορροής. Αμφιθέατρο Καραθεοδωρή - ΠΘ Ξάνθη, 6-9 Απριλίου 2005, σελ. 193 199. Kundu, P.M., Olang, L.O., 2011. The impact of land use change on runoff and peak flood discharges for the Nyando River in Lake Victoria drainage basin, Kenya. WIT Transactions on Ecology and the Environment. Water and Society, Vol. 153, p.p. 83 94. Niehoff, D., Fritsch, U., Bronstert, A., 2002. Land-use impacts on storm-runoff generation: scenarios of land-use change and simulation of hydrological response in a meso-scale catchment in SW- Germany. Journal of Hydrology, 267, p.p. 80 93. Ott, B., Uhlenbrook St., 2004. Quantifying the impact of land use changes at the event and seasonal time scale using a process oriented catchment model. Hydrology and Earth System Sciences, 8 (1), p.p. 62 78. Overland, H., Kleeberg, H.B., 1991. Influence of land use change on discharge and sediment transport of floods. Sediment and Stream Water Quality in a Changing Environment: Trends and Explanation, (Proceedings of the Vienna Symposium, August 1991), IAHS Publ. no. 203, p.p. 83 92. Pikounis, M., Varanou, E., Baltas, E., Dassaklis, A., Μimikou, Μ., 2003. Application of the SWAT model in the Pinios riverbasin under different land-use scenarios. Global Nest: the Int. J. Vol 5, No 2, pp 71-79. Romero, P., Castro, G., Gómez, J.A., Fereres, E., 2007. Curve Number Values for Olive Orchards under Different Soil Management. Soil Science Society of America Journal, Volume 71, No 6, p.p. 1758 1769. Schilling, K.E., Gassman, P.W., Kling, C.L., Campbell, T., Jha, M.K., Wolter, C.F., Arnold, J.G., 2014. The potential for agricultural land use change to reduce flood risk in a large watershed. Hydrological Processes, 28, p.p. 3314 3325. Schultz, G.A., 1995. Changes on flood characteristics due to land use changes in a river basin. U.S. Italy Research Workshop on the Hydrometeorology, Impacts, and Management of Extreme Floods. Perugia (Italy), November 1995. (http://www.engr.colostate.edu/ce/facultystaff/salas/usitaly/papers/31schultz.pdf) Soil Conservation Service, 1985. Estimation of direct runoff from storm rainfall. Ch. 10. In Hydrology. Natl. Eng. Handbk., Suppl. A, Sect. 4. USDA-SCS, Washington, DC. Stathis D., Sapountzis M. and Myronidis D. (2010), Assessment of land use change effect on a design storm hydrograph using the SCS curve number method, Fresenius Environmental Bulletin, 19(9a),1928-1934. Wiles-Skeels, R., Nichols K.K., 2004. Evaluating the effect of land use on peak flow discharge and runoff in Saratoga Lake watershed. (http://www.skidmore.edu/~knichols/posters/robin04.pdf) 451