ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «ΤΕΧΝΙΚΗ ΥΔΡΟΛΟΓΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΝΗΣΟΥ ΛΕΣΒΟΥ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΕΡΓΑΛΕΙΩΝ ΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΩΝ» Συντάκτης : Πέτρου Μαρία Επιβλέπον Καθηγητής: Πέτρος Γαγάνης Μυτιλήνη 2009
ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά των επιβλέποντα καθηγητή μου κ. Γαγάνη Π. καθώς και τον καθηγητή κ. Παπαπαναγιώτου Ε. για την καθοδήγηση και τη βοήθεια που μου προσέφεραν κατά τη διάρκεια εκπόνησης της μεταπτυχιακής μου διατριβής. Ακόμα, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κ. Παναγόπουλο του τμήματος Γεωγραφίας για τη βοήθεια που προσέφερε με τις διαλέξεις του καθώς και για την προσφορά των δεδομένων. Τέλος, ευχαριστώ τους γονείς μου και την αδερφή μου Χριστίνα για την συμπαράσταση και υπομονή που έδειξαν κατά τη διάρκεια των φοιτητικών μου χρόνων.
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ 1 Κεφ 1 ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ. 2 1.1 Υδρολογία.. 3 1.2 Υδατικοί Πόροι..... 4 1.3 Υδρολογικός κύκλος....6 1.4 Υδρολογικό Ισοζύγιο...7 1.4.1 Κατακρημνίσματα. 8 1.4.2 Εξατμισοδιαπνοή..11 1.4.2.1 Δυνητική Εξατμισοδιαπνοή.. 12 1.4.2.2 Πραγματική Εξατμισοδιαπνοή... 13 1.4.3. Διήθηση 16 1.4.4 Απορροή... 17 1.4.4.1 Συντελεστής Απορροής 19 1.5 Λεκάνες Απορροής...21 Κεφ 2 ο ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΩΝ..28 2.1 Υδρολογικά Μοντέλα.... 29 Κεφ 3 ο ΠΑΛΑΙΟΤΕΡΕΣ MΕΛΕΤΕΣ... 32 Κεφ 4 ο ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ..36 Κεφ 5 ο ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΕΛΕΤΗΣ.. 40 Κεφ 6 ο AΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ.. 41 Κεφ 7 ο ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 58 Κεφ 8 ο ΣΥΖΗΤΗΣΗ 60 Κεφ 9 ο ΕΠΙΛΟΓΟΣ. 61 - I -
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ.62 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ.. 68. ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ, ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΩΝ, ΧΑΡΤΩΝ ΚΑΙ ΣΧΗΜΑΤΩΝ ΠΙΝΑΚΕΣ 1. Κατανομή του νερού στη γη. 5 2. Κατανομή του γλυκού (πόσιμου) νερού στη γη 5 3. Γεωμορφολογικές Παράμετροι.. 43 4. Δεδομένα ρεμάτων για την εφαρμογή των Νόμων του Horton.. 43 5. Υδρολογικό Ισοζύγιο κατά Thornwaite Mather Αγίας Παρασκευής...47 6. Υδρολογικό Ισοζύγιο κατά Thornwaite Mather Σιγρίου... 47 7. Υδρολογικό Ισοζύγιο κατά Thornwaite Mather Πανεπιστημίου... 48 8. Υδρολογικό Ισοζύγιο κατά Thornwaite Mather Πτερούντας...48 9. Υδρολογικό Ισοζύγιο κατά Thornwaite Mather Ακρασίου. 48 10. Υδρολογικό Ισοζύγιο κατά Thornwaite Mather Λέσβου..... 49 11. Παράμετροι του Υδατικού Ισοζυγίου Λέσβου..51 12. Τιμές συντελεστή απορροής (μεθοδολογία 1) 52 13. Τιμές συντελεστή απορροής (Μεθοδολογία 2)..55 14. Τιμές συντελεστή απορροής 68 15. Τιμές συντελεστή απορροής της μεθόδου S.C.S... 69 16. Πίνακας κατάταξης εδαφών της S.C.S.. 69 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ 1. Εφαρμογή του 1 ου Νόμου Horton... 44 2. Εφαρμογή του 2 ου Νόμου Horton 44 3. Υψομετρική Καμπύλη. 45 4. Διακύμανση του Υδρολογικού Ισοζυγίου κατά τη διάρκεια του έτους...50 ΧΑΡΤΕΣ 1. Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους 41 2. Λεκάνη Απορροής Λέσβου...42 - II -
3. Ρέματα και αρίθμηση κατά Strahler...42 4. Υπολεκάνες Λέσβου σε κατηγορίες βάσει του εμβαδού... 46 5. Βροχομετρικός Χάρτης σύμφωνα με τη μέθοδο Thiessen. 46 6. Υδρολογικό Ισοζύγιο Λέσβου. 52 7. Χάρτης εδαφολογικών τύπων. 53 8. Χάρτης κατηγοριών εδαφολογικών τύπων....53 9. Χάρτης συντελεστή απορροής Μεθοδολογία 1.... 54 10. Χάρτης κατηγοριών χρήσεων γης.....55 11. Χάρτης κλίσεων.... 56 12. Χάρτης κατηγοριών κλίσεων...56 13. Χάρτης συντελεστή απορροής Μεθοδολογία 2.... 57 ΣΧΗΜΑΤΑ 1. Πολύγωνα Thiessen...10 2. Αρίθμηση κατά Horton και Strahler... 25 3. Πρώτος Νόμος του Horton 26 4. Δεύτερος Νόμος του Horton. 27 5. Διάγραμμα ροής του εργαλείου ArcRunoff Tool.. 31 6. Διάγραμμα ροής υπολογισμού της Δυνητικής Εξατμισοδιαπνοής 37 7. Διάγραμμα ροής εφαρμογής του Μοντέλου Υδρολογικού Ισοζυγίου..38 8. Υπολογισμός του συντελεστή απορροής με τη 1 η μέθοδο (S.C.S.)..39 9. Υπολογισμός του συντελεστή απορροής με τη 2 η μέθοδο. 39 10. Διακύμανση του Υδρολογικού Ισοζυγίου κατά τη διάρκεια του έτους 50 - III -
ΠΕΡΙΛΗΨΗ Με την εμφάνιση της αυξανόμενης υπολογιστικής δύναμης και της τεχνικής των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών, η υδρολογική μοντελοποίηση έχει γίνει σημαντική στη σύγχρονη υδρολογία για την αξιολόγηση των επιπτώσεων της ανθρώπινης επέμβασης και πιθανής κλιματολογικής αλλαγής στην υδρολογία των λεκανών απορροής και τους υδατικούς πόρους. Στην εργασία γίνεται μελέτη του κύκλου του νερού στο νησί της Λέσβου για το χρονικό διάστημα 2003-2008 και υπολογίζεται ο συντελεστής απορροής. Η μεθοδολογία που αναπτύσσεται κάνει χρήση των εργαλείων των Συστημάτων Γεωγραφικών Πληροφοριών. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι από το σύνολο της βροχής το 80% περίπου εξατμίζεται και διαπνέεται και το υπόλοιπο διηθείται και απορρέει. Τέλος, παρατηρείται μεγάλη γεωγραφική ποικιλία των τιμών του συντελεστή απορροής, με υψηλότερες τιμές στις αστικές και εμπορικές ζώνες και χαμηλότερες στις δασικές και αγροτικές περιοχές. - 1 -
ΚΕΦ 1 Ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το νερό, μαζί με τον αέρα και το έδαφος, είναι οι κύριες πηγές που συμβάλλουν στη ζωή του ανθρώπου. Το νερό είναι όχι μόνο ένα βασικό στοιχείο για τη ζωή και το περιβάλλον στον πλανήτη μας, αλλά και ένας ρυθμιστικός παράγοντας για την οικονομική, τεχνολογική, κοινωνική και πολιτιστική ανάπτυξη (Mimikou, 2005). Μια αδρομερής ιεράρχηση των σημερινών υδατικών αναγκών του ανθρώπου είναι η εξής: ύδρευση, άρδευση, βιομηχανικές κλπ. απαιτήσεις, αραιώσεις αποβλήτων, υδροηλεκτρική ενέργεια, υδατικές μεταφορές. Η σύγχρονη ανθρώπινη κοινωνία έχει μεγαλύτερη εξάρτηση από το νερό, από ότι στο παρελθόν. Οι παραπάνω ανάγκες σε νερό δεν παραμένουν σταθερές. Γι αυτό, δημιουργούνται προβλήματα που οφείλονται στην ποσότητα, στη κατά χρόνο και τόπο κατανομή και στην ποιότητα του αγαθού αυτού. (Κωτούλας, 2001). Το νερό δεν αποτελεί μόνο βασικό παράγοντα επιβίωσης του ανθρώπου. Συχνά γίνεται και επικίνδυνος εχθρός της ανθρώπινης κοινωνίας, όταν και όπου εμφανίζεται σε περίσσεια ή και σε διαρκή έλλειψη. Οι πλημύρες των υδατικών ρευμάτων προκαλούν κατά κανόνα μεγάλες καταστροφές καθώς και ανθρώπινα θύματα, η δε ξηρασία αποδεικνύεται συχνά ακόμη πιο επιζήμια. Γι αυτό ένας νέος σοβαρός κίνδυνος αρχίζει να απειλεί την υπόσταση της ανθρώπινης κοινωνίας: η λειψυδρία από υπερκατανάλωση. (Κωτούλας, 2001). Ακόμα, η ρύπανση των υδάτινων αποθεμάτων δημιουργεί έναν άλλο σύγχρονο κίνδυνο για την ανθρωπότητα. Το νερό, το οποίο αποτελεί απαραίτητο στοιχείο της παραγωγικής διαδικασίας, βιομηχανίας, γεωργίας κλπ., αποβάλλεται μετά τη χρήση του εμπλουτισμένο με διάφορες ρυπαντικές ουσίες και καταλήγει στα υδάτινα ρεύματα, στις λίμνες, στις θάλασσες, καθώς και στα υπόγεια υδροφόρα στρώματα τα οποία και ρυπαίνει. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη του κύκλου του νερού στο νησί της Λέσβου και ο ποσοτικός προσδιορισμός των παραγόντων που επηρεάζουν την διεργασία αυτή για το χρονικό διάστημα 2003-2008. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκε μια μεθοδολογία με τη χρήση των εργαλείων των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών. - 2 -
1.1 ΥΔΡΟΛΟΓΙΑ Υδρολογία είναι η επιστήμη, η οποία ασχολείται με τα νερά επί της γης (προέλευση, κυκλοφορία, κατανομή), με τις φυσικές και χημικές ιδιότητές τους, καθώς και με τις αμοιβαίες επιδράσεις τους με το περιβάλλον, στο οποίο συμπεριλαμβάνονται και τα έμβια όντα. (UNESCO, 1978). Οι εφαρμογές της υδρολογίας αγγίζουν όλες τις ανθρώπινες δραστηριότητες από την εξασφάλιση πόσιμου νερού, την αύξηση και την προστασία του εισοδήματος κοινωνικών ομάδων, έως τη δημιουργία χώρων αναψυχής και την προστασία του περιβάλλοντος. Ειδικότερα, οι εφαρμογές της υδρολογίας αναφέρονται στη μελέτη, κατασκευή, συντήρηση και λειτουργία έργων που σχετίζονται με τις ακόλουθες δράσεις (Κωτσόπουλος, 2006 cit. Singh, 1992): Εξασφάλιση και μεταφορά νερού για αστική, αγροτική ή και βιομηχανική χρήση, Προστασία πόλεων, οικισμών ή αγροτικών περιοχών από πλημμύρες, Μείωση των ξηρασιών και τον περιορισμό των επιπτώσεών τους, Έλεγχο περιορισμό της ρύπανσης, Ανάπτυξη αστικών και βιομηχανικών περιοχών, Σχεδιασμό υδραυλικών έργων, Ανάπτυξη και λειτουργία σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, Αύξηση της αγροτικής παραγωγής, Προστασία των εδαφών, Αλλαγή χρήσεων γης, Διαχείριση δασικών εκτάσεων και άγριας πανίδας, Στρατιωτικές ασκήσεις επιχειρήσεις, Ανάπτυξη αγροτικών περιοχών, Ναυσιπλοΐα, Διαμόρφωση χώρων αναψυχής και Ανάπτυξη ιχθυοκαλλιεργειών και αλιείας. - 3 -
Ως τεχνική υδρολογία χαρακτηρίζεται το μέρος εκείνο της υδρολογίας που ασχολείται με την ποσοτική εκτίμηση του ύδατος, η οποία χρησιμοποιείται ως βάση για τον επιστημονικό και υδρονομικό σχεδιασμό, καθώς και για τον καθορισμό των επιδράσεων που αυτός ασκεί στη κυκλοφορία του νερού επί της γης και στο περιβάλλον. Συχνά χρησιμοποιείται και ο όρος στοχαστική υδρολογία, που υποδηλώνει, ότι η επεξεργασία των υδρολογικών παρατηρήσεων δε γίνεται με τις μεθόδους της στατιστικής, αλλά με εκείνες της θεωρίας των πιθανοτήτων (Κωτούλας, 2001). 1.2 ΥΔΑΤΙΚΟΙ ΠΟΡΟΙ Ως υδάτινος πόρος χαρακτηρίζεται ο όγκος ύδατος που είναι διαθέσιμος ή μπορεί να διατεθεί προς χρήση σε επαρκή ποσότητα, κατάλληλη ποιότητα και διάρκεια για την ικανοποίηση συγκεκριμένης ζήτησης. Οι υδάτινοι πόροι είναι δυνατό να χρησιμοποιούνται ή να αποτελούν στρατηγικό αποθήκευμα για το μέλλον. Κύριο γνώρισμα κάθε υδάτινου πόρου είναι η τρέχουσα και η μελλοντική αξιοπιστία του. Αυτό όμως δεν αποκλείει ότι τυχόν μεταβολές στο φυσικό περιβάλλον και στις ανθρωπογενής δραστηριότητες μιας περιοχής μπορούν να επηρεάσουν ευμενώς ή δυσμενώς την αξιοπιστία του και να εμποδίσουν τη χρήση του (Κωτούλας, 2001). Σύμφωνα με το αρ. 1 του Ν.1739/87 περί διαχείρισης των υδατικών πόρων, υδατικοί πόροι, στους οποίους δεν περιλαμβάνεται το θαλάσσιο νερό, είναι τα επιφανειακά και υπόγεια νερά χωρίς διάκριση στην ποιότητα, την προέλευση ή τη δυνατή χρήση, νερά φυσικών πηγών, χερσαίων και υποθαλάσσιων και Θερμομεταλλικά νερά, όπως ιαματικά, μεταλλικά ή αεριούχα, ολιγομεταλλικά (ΦΕΚ 201 A'/1987). Στους παρακάτω πίνακες δίνεται η κατανομή της ποσότητας του νερού που υπάρχει στον πλανήτη και ιδίως τα αποθέματα σε γλυκό, συνεπώς πόσιμο νερό, τα οποία περιορίζονται μόνο σε 2,6% του συνολικού νερού (Κωτούλας, 2001). - 4 -
Είδος νερού στη γη Ποσότητα νερού (Km 3 ) Ποσοστό % Θάλασσες, ωκεανοί 1.348.000.000 97,39 Πάγοι, παγετώνες 27.820.000 2,01 Υπόγεια νερά, Υγρασία εδάφους 8.062.000 0,58 Λίμνες, ποταμοί 225.000 0,02 Ατμοσφαιρικά νερά 13.000 0,001 Σύνολο 1.348.120.000 100,00 Γλυκό νερό 36.120.000 2,60 Πίνακας 1 : Κατανομή του νερού στη γη (Κωτούλας, 2001). Είδος γλυκού νερού Ποσοστό % Πάγοι, παγετώνες 77,23 Υπόγεια νερά μέχρι βάθους 800 μ. 9,86 Υπόγεια νερά σε βάθος από 800 ως 4.000 μ. 12,35 Εδαφική υγρασία 0,17 Λίμνες γλυκού νερού 0,35 Ποταμοί 0,003 Ενυδατωμένα ορυκτά του εδάφους 0,001 Φυτά, Ζώα, άνθρωπος 0,003 Υγρασία ατμόσφαιρας 0,04 Σύνολο 100,00 Πίνακας 2: Κατανομή του γλυκού (πόσιμου) νερού στη γη (Κωτούλας, 2001). Όπως προκύπτει από τους πίνακες τα 77% των γήινων αποθεμάτων σε γλυκό νερό έχουν στερεά μορφή (πάγοι, παγετώνες). Τα αποθέματα γλυκού νερού σε υγρή μορφή περιορίζονται στο 0,6% μόνο της συνολικής ποσότητας νερού στη γη, το δε μεγαλύτερο μέρος τους αποτελείται από υπόγεια νερά. (Κωτούλας, 2001). Αυτή η περιορισμένη ποσότητα υδάτινων πόρων διανέμεται άνισα στο διάστημα και το χρόνο. Υπάρχουν χώρες με - 5 -
αφθονία νερού και άλλες με τις ζωτικής σημασίας ελλείψεις ή ερήμους. Ακόμη και στο εσωτερικό των χωρών, οι υδάτινοι πόροι δεν διανέμονται ομοιόμορφα, προκαλώντας στη συνέχεια τις σοβαρές τοπικές συγκρούσεις μεταξύ των χρηστών. Η χρονική διαθεσιμότητα είναι επίσης ανώμαλη, δεδομένου ότι το τους φθινοπωρινούς μήνες εμφανίζονται πλημύρες, ενώ στο καλοκαίρι είναι ανεπαρκής για ορισμένη χρήση (άρδευση, τουρισμός κ.λπ.). Η εξαιρετικά περιορισμένη διαθεσιμότητα του νερού, μαζί με την διαφορετική χωροχρονική κατανομή του και τη βαθμιαία υποβιβαζόμενη ποιότητα, καθιστά τους υδάτινους πόρους ανεπαρκείς (Mimikou, 2005). 1.3 ΥΔΡΟΛΟΓΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ Ο άνθρωπος ικανοποιεί τις ανάγκες του σε νερό χρησιμοποιώντας σχεδόν αποκλειστικά τα γήινα αποθέματα γλυκού νερού σε υγρή μορφή. Συνεπώς, αυτά θα είχαν εξαντληθεί από καιρό αν δεν υπήρχε μια συνεχής ανανέωσή τους με τη βοήθεια της υδρολογικής ανακύκλωσης, γνωστής περισσότερο ως υδρολογικός κύκλος. Κινητήρια δύναμη για την κίνηση αυτή αποτελεί η ηλιακή ενέργεια, η οποία φθάνει στη γη με τη μορφή της ηλιακής ακτινοβολίας και η έλξη της βαρύτητας(κωτούλας, 2001). Ο υδρολογικός κύκλος φαίνεται να μην έχει ούτε αρχή ούτε τέλος, καθώς το νερό εξατμίζεται από τη στεριά και τις θάλασσες για να γίνει μέρος της ατμόσφαιρας. Το εξατμιζόμενο νερό ανυψώνεται, μεταφέρεται και προσωρινά αποθηκεύεται στην ατμόσφαιρα μέχρι να ξαναπέσει στη γη. Το νερό που πέφτει στη γη μπορεί να συγκρατηθεί από τη φυτοκόμη ή να χρησιμοποιηθεί σαν διαπνοή από τα φυτά, μπορεί να απορρεύσει επιφανειακά ή να διηθηθεί βαθιά στο έδαφος. Το νερό της διαπνοής και μέρος από το νερό της επιφανειακής απορροής μπορεί να ξαναγυρίσει με την εξάτμιση πίσω στην ατμόσφαιρα ή να διηθηθεί πιο βαθιά και να αποθηκευθεί σαν υπόγειο νερό και στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί πάλι από τα φυτά ή να εμφανισθεί σαν πηγή ή να φθάσει στις κοίτες των υδάτινων ρευμάτων και λίμνες, κινούμενο υπόγεια και τελικά πάλι να εξατμισθεί για να συμπληρωθεί ο κύκλος (Παπαμιχαήλ, 2004). - 6 -
Οι παράγοντες του υδρολογικού κύκλου είναι: Τα κατακρημνίσματα (Ν) Η εξατμισοδιαπνοή (ΕΤ) Η απορροή (Α) Η προσαγωγή νερού (Ζ) Τα υπόγεια ύδατα (G) Η μεταβολή του νερού (ΔS) Ν ΕΤ + G Α = +/- ΔS Ο παράγοντας Ν περιλαμβάνει όλα τα κατακρημνίσματα, που πέφτουν στην περιοχή. Ο παράγοντας εξατμισοδιαπνοή ΕΤ ασκεί την επίδρασή του στην επιφάνεια του εδάφους καθώς και στο υποκειμενικό της εδαφικό στρώμα. Προσαγωγή και απαγωγή του νερού G μπορεί να συμβεί και στα τρία εδαφικά στρώματα, ενώ η απορροή Α τροφοδοτείται άμεσα τόσο από την επιφάνεια του εδάφους όσο και από τα εδαφικά στρώματα με κενά αέρα και με υδροφόρους ορίζοντες. Η αποθήκευση ή η απομείωση νερού +/- ΔS σε ότι αφορά την επιφάνεια του εδάφους οφείλεται στη συγκράτηση υδάτινων μαζών στα επιφανειακά κοιλώματα των λεκανών, στις λίμνες, στις κοίτες των υδάτινων ρευμάτων, στα χιονοστρώματα που καλύπτουν τις λεκάνες απορροής και στους παγετώνες. Αποθήκευση ή απομείωση νερού δημιουργείται όμως και στα άλλα τρία υπόγεια εδαφικά στρώματα. Όλοι οι παραπάνω παράγοντες εξαρτώνται από τις κλιματικές, μετεωρολογικές, γεωλογικές και μορφολογικές συνθήκες των λεκανών απορροής (Κωτούλας, 2001). 1.4 ΤΟ ΥΔΡΟΛΟΓΙΚΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ Το Υδρολογικό ισοζύγιο είναι σημαντικό για την κατανόηση και διαχείριση των υδατικών πόρων μιας γεωγραφικής περιοχής και των φυσικών και πολιτιστικών συστημάτων που τα συνδέουν, συμπεριλαμβάνοντας τους τύπους της βλάστησης, τις χρήσεις γης, τις παροχές νερού, την επαναφόρτιση - 7 -
του επίγειου νερού, τα ρέματα και τους υγροτόπους (Feruson, 1996 cit. Ferguson 1992; Mather 1978). Το Υδρολογικό ισοζύγιο των λεκανών απορροής αποτελεί ένα θέμα θεμελιώδους σπουδαιότητας στην υδρογεωλογική και υδρολογική έρευνα και έχει δεσμεύσει τους επιστήμονες για πολλές δεκαετίες. Τα μοντέλα υδρολογικού ισοζυγίου δημιουργήθηκαν και εφαρμόστηκαν πρώτη φορά τη δεκατία 1940 1950 από τον Thornthwaite και Thornthwaite και Mather. Αυτά τα αρχικά μοντέλα ήταν ουσιαστικά μηνιαίοι τεχνικοί υπολογισμοί που παρακολουθούσαν την ισορροπία ανάμεσα στη ροή του νερού από τα κατακρημνίσματα και το λιώσιμο του χιονιού στην εξατμισοδιαπνοή, την ροή των ρεμάτων και την φόρτιση των υπόγειων υδροφορέων. Η απλότητα των μοντέλων και η ευκολία στην εφαρμογή τους, τα έχει καταστήσει «ελκυστικά» (Myronidis και Emmanouloudis, 2008). Το Υδρολογικό ισοζύγιο αποτελεί την ποσοτική εκτίμηση των παραγόντων που συνιστούν τον υδρολογικό κύκλο. Πρώτο στάδιο για την εφαρμογή μοντέλων υδατικού ισοζυγίου αποτελεί η ανάλυση και o υπολογισμός των παραγόντων αυτών. 1.4.1 ΚΑΤΑΚΡΗΜΝΙΣΜΑΤΑ Κατακρημνίσματα είναι η ποσότητα του νερού που φτάνει στην επιφάνεια της γης λόγω βροχόπτωσης, χιονόπτωσης και χαλαζόπτωσης. Η γεωγραφική κατανομή των βροχών στην Ελλάδα παρουσιάζει έντονη διακύμανση λόγω της ανώμαλης μορφολογίας της χώρας. Γενικά, οι βροχοπτώσεις αυξάνονται με το γεωγραφικό πλάτος η δε Δυτική Ελλάδα είναι κατά πολύ βροχερότερη της Ανατολικής. Τα μεγαλύτερα ύψη βροχής παρατηρούνται προς την πλευρά του Ιουνίου πελάγους, τα δε μικρότερα προς εκείνη του Αιγαίου, ενώ οι ελάχιστες τιμές βροχής σημειώνονται στην ανατολική Κρήτη (Ιεράπετρα) (Κωτούλας, 2001). Όλες οι μορφές κατακρημνισμάτων (βροχή, χιόνι, χαλάζι) μετριούνται με βάση το κατακόρυφο πάχος στρώματος νερού, δηλαδή το ύψος της μάζας του, το οποίο θα συσσωρευόταν σε μια οριζόντια επιφάνεια, εάν ολόκληρη η ποσότητα του κατακρημνίσματος παρέμενε στο σημείο πτώσης της χωρίς απώλειες εξάτμισης, διήθησης ή απορροής. Η μέτρηση εκφράζεται σε mm - 8 -
(χιλιοστά) ύψους του παραπάνω στρώματος και αντιστοιχεί σε ορισμένο χρονικό διάστημα (ημέρα, μήνα, έτος) (Κωτούλας, 2001). Η ποσότητα των κατακρημνισμάτων μπορεί να υπολογιστεί με τη χρήση διαφόρων οργάνων όπως είναι τα Βροχόμετρα, οι Βροχογράφοι, τα Ραντάρ και οι Δορυφόροι (Κωτσόπουλος, 2006 cit. Μιμίκου 1994, Τσακίρης 1995, Shaw 1984, Chow κ.ά. 1988, Linsley κ.ά. 1988). Αντιπροσωπευτικό μέγεθος για ένα σταθμό από άποψη βροχοπτώσεων αποτελεί το ετήσιο ύψος βροχής. Για τον καθορισμό του χρησιμοποιείται ο αριθμητικός μέσος όρος σειράς παρατηρήσεων, ο οποίος χαρακτηρίζεται ως μέσο ετήσιο ύψος βροχής ή ως ετήσιος βροχομετρικός δείκτης. Η απόκλιση του δείκτη αυτού από την πραγματική τιμή εξαρτάται από τον αριθμό των παρατηρήσεων που υπάρχουν. (Κωτούλας, 2001). Μια σημαντική παράμετρος της λεκάνης απορροής που απαιτείται σε κάθε υδρολογική μελέτη είναι η μέση βροχόπτωση της λεκάνης. Ο πιο απλός τρόπος υπολογισμού του μέσου ύψους βροχής σε μια λεκάνη απορροής είναι ο σχηματισμός του αριθμητικού μέσου όρου των παρατηρήσεων που υπάρχουν σε αυτή. Η ακρίβεια της τιμής που προσδιορίζεται με αυτό τον τρόπο εξαρτάται από το κατά πόσο οι σταθμοί είναι ομοιόμορφα κατανεμημένοι στο χώρο. Τα αποτελέσματα της μεθόδου αυτής μπορούν να βελτιωθούν, εάν στις επιμέρους μετρήσεις προσυπολογιστεί και ο βαθμός της επίδρασής τους στο σύνολο της επιφάνειας. Σύμφωνα με τη μέθοδο Thiessen σε κάθε σταθμό παρατήρησης αντιστοιχεί μια επιφάνεια F i, οπότε οι μετρήσεις ισοσταθμίζονται όταν πολλαπλασιαστούν με τη σχέση F i /F G, όπου F G είναι η επιφάνεια της λεκάνης. Συνεπώς, το μέσο ύψος των κατακρημνισμάτων h NG στη λεκάνη υπολογίζεται ως εξής: h NG = 1 F G n i= 1 h Ni F i - 9 -
Ο προσδιορισμός της επιφάνειας που αντιστοιχεί σε κάθε σταθμό. Γίνεται με τον ακόλουθο τρόπο: σε κατάλληλο χάρτη ενώνουμε όλους τους σταθμούς μεταξύ τους με ευθείες, ώστε να σχηματιστούν τρίγωνα που έχουν ως κορυφές τους τις θέσεις των σταθμών. Στη συνέχεια φέρνουμε τις μεσοκάθετες στις πλευρές των τριγώνων μέχρις ότου αυτές συναντήσουν τον υδροκρίτη της λεκάνης. Έτσι σχηματίζονται γύρω από κάθε σταθμό πολύγωνα, η επιφάνεια των οποίων αποτελεί το μέγεθος κάθε Fi. Στην επιφάνεια του πολυγώνου που περιβάλει κάθε σταθμό, το ύψος βροχής είναι ομοιόμορφο και ίσο με εκείνο του αντίστοιχου σταθμού. Με τη μέθοδο αυτή η υδρολογική σημασία κάθε σταθμού της λεκάνης εκτιμάται από άποψη κατακρημνισμάτων με γεωμετρικό τρόπο, ενώ δεν λαμβάνεται υπόψη καθόλου η τοπογραφική διαμόρφωση της περιοχής. Ακόμα υπάρχει η μέθοδος των ισοϋετών και των ισοϋψών (Κωτούλας, 2001). Σχήμα 1 : Πολύγωνα Thiessen Σε περίπτωση που δεν υπάρχουν παρατηρήσεις για ορισμένο, ελάχιστο χρονικό διάστημα μπορεί το κενό τους να συμπληρωθεί με τιμές που προκύπτουν με τη βοήθεια μετρήσεων που έγιναν για το διάστημα αυτό σε γειτονικούς σταθμούς (Κωτούλας, 2001). Αν οι μακροχρόνιες παρατηρήσεις των γειτονικών σταθμών παρουσιάζουν διαφορές μικρότερες του 10% από τη βροχή στον υπό συμπλήρωση σταθμό, οι ελλείπουσες παρατηρήσεις μπορεί να υπολογιστούν παίρνοντας απλώς τον αριθμητικό μέσο όρο του ύψους - 10 -
βροχής στους γειτονικούς σταθμούς. Η συμπλήρωση των παρατηρήσεων που λείπουν μπορεί να γίνει και με την εφαρμογή της πολλαπλής ή απλής γραμμικής παλινδρόμησης, με την προϋπόθεση ότι η γραμμική συσχέτιση των παρατηρήσεων του σταθμού που λείπουν παρατηρήσεις και αυτών των γειτονικών σταθμών είναι ιδιαίτερα ισχυρή (Παπαμιχαήλ, 2004). Βλάβες στα όργανα μέτρησης, καθώς και τυχόν φυσικές ή ανθρωπογενείς μεταβολές στις συνθήκες της λεκάνης απορροής μπορούν να επηρεάσουν σοβαρά τα αποτελέσματα των υδρολογικών παρατηρήσεων. Γι αυτό, τα δεδομένα τέτοιων υδρολογικών σειρών από μετρήσεις πρέπει να ελέγχονται κατ αρχήν, σε ότι αφορά την ομοιογένειά τους. (Κωτούλας, 2001). Ο έλεγχος της ομοιογένειας γίνεται με τη διπλή αθροιστική καμπύλη (Ξανθόπουλος 1975, 1990, Μιμίκου 1994, Τσακίρης 1995, Σακκάς 1993, Linsley κ.ά. 1988, Wilson 1974) όπου τα βροχομετρικά ύψη ενός σταθμού ελέγχονται με αυτά γειτονικών σταθμών που αποτελούν τους σταθμούς βάσης. Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή ελέγχονται συνήθως τα ετήσια ύψη βροχής ενώ στη συνέχεια μπορούν να εξαχθούν συμπεράσματα και για τα μηνιαία. Διόρθωση των στοιχείων του σταθμού γίνεται εφόσον στο διάστημα της διπλής αθροιστικής καμπύλης παρουσιάζεται θλάση ή ασυνέχεια. (Κωτσόπουλος, 2006). 1.4.2 ΕΞΑΤΜΙΣΟΔΙΑΠΝΟΗ Εξατμισοδιαπνοή είναι το φαινόμενο κατά το οποίο ένα μέρος των κατακρημνισμάτων εξατμίζεται ή διαπνέεται από τα φυτά και επιστρέφει στην ατμόσφαιρα. Στη φύση το φαινόμενο της εξάτμισης παρουσιάζεται σε επιφάνειες καλυμμένες από νερό όπως είναι οι λίμνες, οι θάλασσες, τα έλη, οι ταμιευτήρες και οι δεξαμενές νερού, καθώς και σε εδάφη εντελώς γυμνά από βλάστηση ενώ το φαινόμενο της εξατμισοδιαπνοής εμφανίζεται σε εδάφη καλυμμένα συνολικά ή μερικά από κάθε είδους βλάστηση (Κωτούλας, 2001). Η εξατμισοδιαπνοή εξαρτάται από πολλούς παράγοντες όπως το ποσό των κατακρημνισμάτων, από κλιματικούς παράγοντες, την ηλιακή ακτινοβολία, τον άνεμο, τη σχετική υγρασία, τη θερμοκρασία και από τη βλάστηση, τόσο την αυτοφυή όσο και την καλλιεργούμενη. Πολυάριθμοι - 11 -
εμπειρικοί τύποι έχουν προταθεί για τον υπολογισμό της εξατμισοδιαπνοής (δυναμικής και πραγματικής) χωρίς κανένας απ αυτούς να έχει καθολική αποδοχή (Τάντος, 2006). 1.4.2.1 ΔΥΝΗΤΙΚΗ ΕΞΑΤΜΙΣΟΔΙΑΠΝΟΗ Η δυνητική εξατμισοδιαπνοή παρέχει ένα άνω όριο στις συνολικές απώλειες εξάτμιση και διαπνοή, αν τα αποθέματα σε νερό ήταν αρκετά για να αντισταθμίσουν τις μέγιστες απώλειες. Είναι δηλαδή ένας κλιματικός δείκτης που δείχνει το όριο της εξατμισοδιαπνοής σε μια συγκεκριμένη περιοχή, αν η προσφορά νερού ήταν απεριόριστη ώστε να καλύπτει τις απώλειες από εξάτμιση και διαπνοή (Τάντος, 2006). Ο Τhornthwaite, (1944) πρότεινε μια εμπειρική σχέση μεταξύ της δυναμικής εξατμισοδιαπνοής και της μέσης μηνιαίας θερμοκρασίας του αέρα. Η σχέση του Τhornthwaite παρέχει ικανοποιητικά αποτελέσματα σε υγρές περιοχές με επαρκή βλάστηση. Η σχέση αυτή έχει την ακόλουθη εκθετική μορφή: ET 10 T = 1,6 J n a Όπου: ΕΤ = μέση μηνιαία τιμή της δυναμικής εξατμισοδιαπνοής σε mm Τn = μέση μηνιαία θερμοκρασία σε oc α = (675 x 10-9 ) x J 3 (771 x 10-7 ) x J 2 + (179 x 10-4 ) x J + 0,492 J = είναι ο ετήσιος θερμικός δείκτης (annual heat index) και δίνεται από το άθροισμα των 12 μηνιαίων θερμικών δεικτών: - 12 -
J = 12 Tn 1 5 1,514 Ακόμα, η μέθοδος εκτίμησης της δυναμικής εξατμισοδιαπνοής του FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations) είναι μια τροποποίηση της μεθόδου των Penman και Monteith και έχει ως εξής (Allen κ.ά., 1998) : ET o = 0,408 900 T + 273 ( R G) + γ u ( e e ) n + γ ( 1+ 0,34 u ) 2 2 s a Όπου ΕΤ ο = η βασική εξατμισοδιαπνοή [mm/day] R n = η ροή της καθαρής ακτινοβολίας στην επιφάνεια των φυτών [MJ/m] G = η ροή της αισθητής θερμότητας προς το έδαφος [MJ/m 2 /day] T = μέση ημερήσια θερμοκρασία του αέρα σε ύψος 2μ [ C] u 2 = η ταχύτητα του ανέμου [m/s] Δ= η κλίση της καμπύλης της σχέσεως μεταξύ της πίεσης ατμών κορεσμού και της θερμοκρασίας [kpa/ C] γ = η ψυχομετρική σταθερά [kpa/ C] e s = η μέση πίεση των ατμών στον κορεσμό [kpa] e a = η πραγματική πίεση ατμών [kpa] e s e a = το έλλειμμα κορεσμού του αέρα [kpa] 1.4.2.2 ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΗ ΕΞΑΤΜΙΣΟΔΙΑΠΝΟΗ Η πραγματική εξάτμισοδιαπνοή αντιστοιχεί στην ποσότητα νερού που πραγματικά μεταφέρεται από το έδαφος στην ατμόσφαιρα, η οποία και - 13 -
ρυθμίζεται από την περιεχόμενη στο έδαφος υγρασία. Αποτελεί δηλαδή και αυτή έναν παράγοντα μεταφοράς θερμότητας και η γνώση της απαιτείται για την κατάρτιση του υδρολογικού ισοζυγίου μιας περιοχής. Η μέση ετήσια πραγματική εξατμισοδιαπνοή σε μία περιοχή αποτελεί τη συνισταμένη πολλών παραγόντων, μεταξύ των οποίων είναι το συνολικό ύψος και η κατανομή της βροχόπτωσης, τα τοπογραφικά και γεωλογικά χαρακτηριστικά της λεκάνης απορροής, η φυτική κάλυψη και οι μετεωρολογικές συνθήκες, οι οποίες επηρεάζουν την εξάτμιση και τη διαπνοή. Όπως και στην περίπτωση της δυναμικής εξατμισοδιαπνοής, έτσι και εδώ υφίστανται διάφοροι μέθοδοι υπολογισμού της (Τάντος, 2006). Ο Turc (1949), μετά από μελέτη της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής και στατιστική ανάλυση αυτής σε 254 λεκάνες απορροής από διάφορες χώρες του κόσμου, κατέληξε στην παρακάτω εμπειρική σχέση: AE = P P 0,90 + L 2 όπου AE = μέση ετήσια πραγματική εξατμισοδιαπνοή (mm). P = μέσο ετήσιο ύψος βροχόπτωσης (mm). L = συνάρτηση της θερμοκρασίας που δίνεται από τη σχέση: L=300+ 25T+ 0.05 T3, όπου T = μέση ετήσια θερμοκρασία (oc). Επίσης, η χρησιμοποίηση της μεθόδου του υδατικού ισοζυγίου για τον προσδιορισμό της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής προυποθέτει, ότ η σχετική εξίσωση του υδατικού ισοζυγίου μπορεί για ορισμένη περιοχή και για τη συγκεκριμένη χρονική περίοδο που διαρκούν οι μετρήσεις, να γραφεί με την ακόλουθη μορφή: Α=Ν-ΕΤ α. Οπότε, ο προσδιορισμός της ΕΤ α γίνεται με βάση τις μετρήσεις ή εκτιμήσεις των κατακρημνισμάτων και της υδαταπορροής κατά τη διάρκειά της. Σε τέτοια περίπτωση η εξατμισοδιαπνοή χαρακτηρίζεται συχνά ως διαφορά απορροής και συμβολίζεται με D (Κωτούλας, 2001). - 14 -
Οι Thornthwaite and Mather (1956) διατύπωσαν ένα απλό αλλά πολύ διαδεδομένο μοντέλο προσομοίωσης του ισοζυγίου ύδατος σε μία λεκάνη απορροής όπου οι εισροές της λεκάνης αντιπροσωπεύονται εξ ολοκλήρου από τις βροχοπτώσεις. Όταν το νερό των βροχοπτώσεων φθάσει στην επιφάνεια του εδάφους, ένα μέρος επιστρέφει στην ατμόσφαιρα με τη διαδικασία της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής ενώ ένα άλλο αποθηκεύεται στο έδαφος για την αναπλήρωση της εδαφικής υγρασίας (St). Όταν η εδαφική υγρασία υπερβεί ένα ανώτατο όριο, δηλαδή την ικανότητα αποθήκευσης (St 0 ), τότε το έδαφος δεν μπορεί να συγκρατήσει τις επιπλέον ποσότητες, οπότε η πλεονάζουσα υγρασία είτε απορρέει επιφανειακά (Q) είτε κατεισδύει (Ι) υπογείως και εμπλουτίζει τον υδροφόρο ορίζοντα (Παναγόπουλος, 2008). Στην περίπτωση που η βροχόπτωση του μήνα (n) υπερτερεί της δυνητικής εξατμισοδιαπνοής (P n > PE n ), τότε η πραγματική εξατμισοδιαπνοή (AE) ισούται με τη δυνητική, δηλαδή AE = PE. Το περίσσευμα (P n PE n ) αποθηκεύεται στο έδαφος ως εδαφική υγρασία (St n ), μέχρις ότου αυτό κορεστεί σε νερό, δηλαδή να φθάσει η εδαφική υγρασία τη μέγιστή της τιμή (ικανότητα αποθήκευσης εδαφικής υγρασίας, S t0 ). Όταν το έδαφος κορεστεί σε νερό τότε η πλεονάζουσα ποσότητα είτε απορρέει επιφανειακά (Q n ) είτε υπόγεια ως κατείσδυση (Ι n ) και εμπλουτίζει τον υπόγειο υδροφόρο ορίζοντα. Η διάκριση των δύο αυτών συνιστωσών δεν επιτυγχάνεται άμεσα από το μοντέλο. Στην περίπτωση που η βροχόπτωση του μήνα (n) υστερεί έναντι της δυνητικής εξατμισοδιαπνοής (P n < PE n ), τότε η πραγματική εξατμισοδιαπνοή είναι μικρότερη της δυνητικής, δηλαδή AE < PE. Σύμφωνα με το μοντέλο αυτό, όλη η βροχόπτωση του μήνα n εξατμίζεται, όπως επίσης και ένα μέρος της εδαφικής υγρασίας του προηγούμενα μήνα n-1, εφόσον βέβαια αυτή υπάρχει. Ο ρυθμός εξάτμισης της εδαφικής υγρασίας ελαττώνεται σχεδόν - 15 -
γραμμικά με τη μείωση της εδαφικής υγρασίας, αφού όσο το έδαφος γίνεται ξηρότερο τόσο το νερό δυσκολεύεται να απομακρυνθεί από το έδαφος άρα τόσο λιγότερες ποσότητες νερού είναι διαθέσιμες για εξατμισοδιαπνοή. Είναι προφανές ότι στην περίπτωση αυτή δεν υφίσταται επαρκής ποσότητα νερού για επιφανειακή απορροή και κατείσδυση. 1.4.3 Κατείσδυση Η κατείσδυση αποτελεί μία πολύ σημαντική διεργασία για τον καθορισμό της μικροοικονομίας μιας περιοχής και αποτελεί μία εκ των τεσσάρων βασικών παραμέτρων του υδρολογικού ισοζυγίου. Αντιπροσωπεύει το μέρος των βροχοπτώσεων, που διαπερνά την εδαφική επιφάνεια κινείται κατακόρυφα στην ακόρεστη ζώνη και στην συνέχεια εισέρχεται στην κορεσμένη ζώνη τροφοδοτώντας τους υδροφόρους ορίζοντες. H κατακόρυφη κίνηση στην ακόρεστη ζώνη του υδροφόρου γίνεται μέσω του πορώδους του σχηματισμού και καλείται διήθηση (vadose percolation) ή μέσω του δευτερογενούς πορώδους του σχηματισμού, δηλαδή μέσω των ασυνεχειών, διαρρήξεων και ρηγμάτων, οπότε ονομάζεται ταχεία ροή (vadose fast flow) (Τάντος, 2006). Η κατείσδυση σε μία περιοχή διακρίνεται σε δύο κύριες συνιστώσες: Η μία συνιστώσα περιλαμβάνει την ποσότητα του νερού των βροχοπτώσεων, που κατεισδύει άμεσα εντός της κορεσμένης ζώνης των γεωλογικών σχηματισμών (ID), και ονομάζεται άμεση κατείσδυση (direct infiltration). Η δεύτερη συνιστώσα αντιστοιχεί στην ποσότητα του νερού της επιφανειακής απορροής, που κατεισδύει στην κορεσμένη ζώνη, μέσω των αδρομερών - 16 -
υλικών της κοίτης των ποταμοχειμάρρων (streambed), οπότε μπορεί να ονομαστεί έμμεση κατείσδυση (indirect infiltration). Η άμεση κατείσδυση σε μία περιοχή εξαρτάται από ένα μεγάλο αριθμό παραγόντων, όπως η λιθολογία των σχηματισμών, το ποσό, η ένταση και κατανομή των βροχοπτώσεων, η εξατμισοδιαπνοή, η βλάστηση, οι χρήσεις γης, η κλίση της εδαφικής επιφάνειας κ.λ.π (Τάντος, 2006). Μέτρο της άμεσης κατείσδυσης είναι ο συντελεστής κατείσδυσης (infiltration coefficient), ο οποίος εκφράζει το ποσοστό του νερού της βροχόπτωσης, που κατεισδύει σε κάθε γεωλογικό σχηματισμό. Αυτός μπορεί να εκφραστεί σε ποσοστό επί της εκατό της βροχόπτωσης αλλά και σε mm ύψους βροχής. Η άμεση κατείσδυση επηρεάζεται άμεσα από το μέσο υψόμετρο και την υδρογραφική πυκνότητα κάθε σχηματισμού. Σε μεγαλύτερα υψόμετρα οι βροχοπτώσεις είναι περισσότερες, η εξατμισοδιαπνοή μικρότερη, δεν έχουμε χρήσεις γης και συνήθως η κλίση του εδάφους εντονότερη, ενώ σε χαμηλότερα υψόμετρα παρατηρούνται τα αντίθετα. Η υδρογραφική πυκνότητα του σχηματισμού αποτελεί ένα μέτρο του μεγέθους της επιφανειακής απορροής και είναι αντιστρόφως ανάλογη του μεγέθους της κατείσδυσης. Δηλαδή, όταν η υδρογραφική πυκνότητα ενός σχηματισμού είναι μεγάλη, η επιφανειακή απορροή είναι υψηλή και η κατείσδυση χαμηλή και αντίστροφα. Έτσι σε περιοχές όπου κυριαρχούν τα ασβεστολιθικά πετρώματα και οι κατείσδυση είναι μεγάλη το υδρογραφικό δίκτυο παρουσιάζει μικρή πυκνότητα. Ο υπολογισμός της κατείσδυσης γίνεται με διάφορους τρόπους όπως με τη μέθοδο των λυσιμέτρων, τη μέθοδο των κυλίνδρων εδάφους, τη μέθοδο του καταιονισμού, τη μέθοδο με την παροχή των πηγών, τη μέθοδο της πιεζομετρικής γραμμής και τη μέθοδο του υδρολογικού ισοζυγίου όπου χρησιμοποιείται η βασική εξίσωση της υδρολογίας (Ν ΕΤ + G Α = +/- ΔS) (Τάντος, 2006). 1.4.4 ΑΠΟΡΡΟΗ Απορροή ορίζεται η κίνηση του νερού των κατακρημνισμάτων στις επιφάνειες των λεκανών απορροής προς τις χαμηλότερες περιοχές υπό - 17 -
μορφή υδάτινου μανδύα ορισμένου πάχους. Το μέγεθός της εκφράζεται σε ύψος απορρέοντος στρώματος (mm) (Στεφανίδης, 2004). Από το ποσό των κατακρημνισμάτων που φθάνει στην επιφάνεια του γεωϋποθέματος ένα σημαντικό μέρος διεισδύει στο έδαφος και διηθείται προς τα βαθύτερα στρώματά του, ένα δε άλλο μέρος εξατμίζεται ή διαπνέεται από τα φυτά και επιστρέφει πάλι στην ατμόσφαιρα. Το υπόλοιπο, αφού πληρώσει αρχικά τα κοιλώματα της εδαφικής επιφάνειας, ρέει επιφανειακά ακολουθώντας την κατεύθυνση της μέγιστης κλίσης. Αυτό βέβαια συμβαίνει με την προϋπόθεση, ότι η ένταση της δυνατής διείσδυσης είναι μικρότερη από την ένταση της βροχής. Έτσι σχηματίζεται η άμεση απορροή (Κωτούλας, 2001). Η άμεση απορροή (Q) είναι το μέρος του υδατικού ισοζυγίου που δημιουργείται ως αποτέλεσμα της επιφανειακής ροής και άλλες αποκρίσεις των κατακρημνισμάτων κατά τη διάρκεια ισχυρών βροχοπτώσεων. Στην ανάλυση του υδατικού ισοζυγίου κατά τον Thornthwaite, η απορροή αφαιρείται άμεσα από τις βροχοπτώσεις, μόνο το υπόλοιπο νερό διεισδύει στο έδαφος και συμμετέχει στην εδαφική αποθήκευση και την εξατμισοδιαπνοή. Διακρίνεται από τη βασική απορροή, η οποία είναι το νερό που έχει διεισδύσει το έδαφος και ρέει υπογείως μέχρι να εκφορτιστεί από πηγές ή κατευθείαν στη θάλασσα (Ferguson, 1996). Σε εφαρμογές της ανάλυσης του υδατικού ισοζυγίου στις αλλαγές χρήσεων γης, ειδικά στην αστική ανάπτυξη, αλλαγές στην άμεση απορροή μπορεί να είναι ένα από τα πιο σημαντικά αποτελέσματα (Ferguson et al. 1991). Η αφαίρεση της βλάστησης, η συμπίεση του εδάφους και η προσθήκη αδιαπέραστων από το νερό επιφανειών μπορεί να αυξήση δραστικά την ποσότητα του απορρέοντος νερού, οδηγώντας σε πλημύρες, διάβρωση καναλιών και απώλεια παρόχθιων ενδιαιτημάτων. Η μετατροπή των όμβριων υδάτων σε άμεση απορροή είναι μια απώλεια επαναφόρτισης υπόγειων υδροφορέων και βασικής απορροής ρεμάτων(ferguson, 1996) Η εκτίμηση του μέρους της βροχής που δίνει άμεση απορροή και ονομάζεται απορροική βροχή γίνεται με τη βοήθεια δεικτών διηθητικότητας, και του συντελεστή απορροής (Παπαμιχαήλ, 2004). - 18 -
1.4.4.1 ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΑΠΟΡΡΟΗΣ Στην υδρολογία ο συντελεστής απορροής χρησιμοποιείται για να καθορίσει πόση ποσότητα βροχόπτωσης διηθείται στο έδαφος ή ένα υδροφόρο στρώμα και πόση γίνεται επιφανειακή απορροή. Υψηλή τιμή συντελεστή απορροής σημαίνει μεγάλη απορροή και χαμηλή διήθηση (αστικές περιοχές), ενώ χαμηλή τιμή συντελεστή απορροής σημαίνει μικρή απορροή και υψηλή διήθηση (ξηρό χώμα). (Zhan και Huang, 2004). Ο απορροικός συντελεστής είναι ένας πολυδιάστατος δείκτης και έχει ακέραιη τιμή από 0 (μηδενική απορροή) ως 100 (όλη η βροχή γίνεται απορροή) (Im κ.ά., 2007). Οι παράγοντες που επηρεάζουν την απορροή και επομένως τον συντελεστή απορροής είναι πολλοί. Η τοπογραφία της λεκάνης επηρεάζει την απορροή αφού όσο πιο απότομες πλαγιές έχει μια λεκάνη, τόσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα του νερού. Τόσο δηλαδή λιγότερο παραμένει το νερό στο έδαφος και κατά συνέπεια μειώνεται ο βαθμός της εξάτμισης και της διήθησης. Επειδή η κλίση του εδάφους είναι μεγαλύτερη στα ψηλά σημεία της λεκάνης, μπορούμε να πούμε ότι ο συντελεστής απορροής μεγαλώνει όσο πάμε από τα πεδινά προς τα ορεινά. Το σχήμα της λεκάνης επηρεάζει την απορροή αφού μεγαλώνει ή μικραίνει το μήκος της διαδρομής του νερού. Έτσι είναι φανερό ότι σε μια λεκάνη με κυκλικό σχήμα η απορροή είναι ταχύτερη από ότι σε μια άλλη με σχήμα μακρόστενο. Συνέπεια αυτού είναι, ο συντελεστής απορροής στην πρώτη περίπτωση της κυκλικής λεκάνης να είναι μεγαλύτερος, αφού το νερό παραμένει μικρότερο χρόνο επάνω στο έδαφος (Τσόγκας, 1999). Ακόμα, η γεωγραφική θέση της λεκάνης επηρεάζει την απορροή, γιατί η κατεύθυνση των οροσειρών, σε συνδυασμό με την κατεύθυνση των ανέμων δημιουργεί έντονες βροχοπτώσεις σε ορισμένες πλαγιές (ομοπλευρά βουνού) ενώ στις πλάγιες μικρού ύψους βροχές (ομοβροσκιά). Η γεωλογική σύσταση της λεκάνης που μεταφράζεται σε διαπερατότητα της λεκάνης, επηρεάζει την απορροή, γιατί ένα μέρος της βροχής μπορεί να διηθηθεί και να διεισδύσει μέσα στο έδαφος, οπότε ο συντελεστής απορροής μειώνεται. Όταν η λεκάνη αποτελείται από αδιαπέραστα στρώματα τότε το νερό απορρέει και ο συντελεστής είναι μεγάλος (Τσόγκας, 1999). - 19 -
Μια βροχή που συνεχίζεται χωρίς διακοπή, προκαλεί την αύξηση της τιμής του συντελεστή απορροής, γιατί είναι φανερό ότι η εξάτμιση μειώνεται σημαντικά, αφού ο αέρας είναι πια κορεσμένος, το έδαφος δεν απορροφάει νερό και τα φυτά έχουν συγκρατήσει τη μέγιστη ποσότητα στα φύλλα και στον κορμό τους. Η συνέχεια της βροχής προκαλεί μια μείωση στη θερμοκρασία του αέρα, που επηρεάζει σημαντικά την εξάτμιση. Η καλλιέργεια και η βλάστηση της λεκάνης, επιδρούν σημαντικά στην απορροή και το σχηματισμό των ρευμάτων. Είναι φανερό ότι κάτω από όμοιες συνθήκες, σε γυμνά εδάφη απορρέει μεγαλύτερη ποσότητα βροχής από ότι σε καλυμμένα από φυτά και δάση (Τσόγκας, 1999). Η τιμή του συντελεστής απορροής είναι ο λόγος του ποσού της βροχής που απορρέει προς τη συνολική ποσότητα της βροχής που έπεσε στη λεκάνη (Τσόγκας, 1999), και προσδιορίζεται από πίνακες. Στο υπόμνημα δίνονται διάφοροι πίνακες προσδιορισμού του συντελεστή απορροής ανάλογα με τους παράγοντες που τον επηρεάζουν και ακολουθεί η μέθοδος προσδιορισμού του συντελεστή απορροής της S.C.S. (Soil Conservation Service). Η μέθοδος προσδιορισμού της καμπύλης απορροής της S.C.S. (Soil Conservation Service) για την εκτίμηση του όγκου της απορροής από μια ισχυρή βροχόπτωση είναι καθιερωμένη στην υδρολογική εφαρμοσμένη μηχανική και την ανάλυση περιβαλλοντικών επιπτώσεων. Ο κύριος λόγος για τον οποίο η μέθοδος έχει χρησιμοποιηθεί από πολλούς υδρογεωλόγους είναι η απλότητα και δυνατότητα εφαρμογής της σε λεκάνες με ελάχιστες υδρολογικές πληροφορίες: εδαφολογικός τύπος, χρήση γης και κατάσταση επιφάνειας, και προηγούμενη κατάσταση υγρασίας. (Im κ.ά., 2007) Η μέθοδος SCS (US. Soil Conservation Service) χρησιμοποιεί την καμπύλη απορροής (Curve Number, CN) για να χαρακτηρίσει υδρολογικά ένα συνδυασμό εδαφοκάλυψης. Η τιμή της καμπύλης απορροής μπορεί να κυμαίνεται σε τιμές από 0 έως 100, με πιο κοινές τις τιμές από 30 ως 98. Η εξίσωση της άμεσης απορροής που δίνεται (S.C.S., 1972) είναι: S = (1000/CN) 10 ( ή S= (25400/CN )- 254) α) P < 0.2 Q = 0 β) P > 0.2 Q = (P - 0.2 S) 2 /(P + 0,8 S) - 20 -
όπου S = η μέγιστη συγκράτηση υγρασίας εδάφους μέχρι να αρχίσει η απορροή (mm) P = βροχόπτωση (mm) Q = άμεση απορροή (mm) Κάνοντας την παραδοχή ότι η αρχική υγρασία του εδάφους = 0.2 S. Αφού η αποθηκευτικότητα S εξαρτάται από τους παράγοντες που επηρεάζουν την I a είναι ευνόητο ότι από τους ίδιους παράγοντες θα επηρεάζεται και ο CN. Πιο συγκεκριμένα ο CN είναι ένας συντελεστής που αντιπροσωπεύει τη συνδυασμένη επίδραση του εδάφους, του τρόπου χρήσης και διαχείρισης αυτού, των καλλιεργητικών συνθηκών κσι της προηγούμενης υγρασιακής κατάστασης του εδάφους. Η S.C.S. έχει κατατάξει τους παραπάνω παράγοντες σε κατηγορίες προκειμένου να διευκολύνεται η χρήση τους, για τον υπολογισμού του CN (Παπαμιχαήλ, 2004). 1.4.5 ΛΕΚΑΝΕΣ ΑΠΟΡΡΟΗΣ Η επιφάνεια του γεωλογικού υποθέματος (έδαφος και υδάτινες επιφάνειες), που τροφοδοτεί την κοίτη ενός υδατορεύματος με νερά και με φερτά υλικά, αποτελεί η συλλεκτήρια ή υδρολογική λεκάνη ή λεκάνη απορροής. Η περίμετρος της καθορίζεται από τη γραμμή του υδροκρίτη που την περιβάλει. Τα κυριότερα χαρακτηριστικά των λεκανών απορροής των υδάτινων ρευμάτων που ασκούν υδρολογική επίδραση, είναι τα εξής: Το εμβαδό της λεκάνης απορροής που προκύπτει από την εμβαδομέτρηση της επιφάνειάς της, η οποία διεξάγετε σε κατάλληλο χάρτη της περιοχής με βάση τον υδροκρίτη και τη γεωλογία του χώρου, το σχήμα της λεκάνης (επιμήκεις λεκάνες επιβραδύνουν την απορροή σε σύγκριση με στρογγυλόμορφες), η υψομετρία της λεκάνης όπου σημασία έχει η υψομετρική διαφορά στο χώρο της, με βάση το μέγιστο και το ελάχιστο υψόμετρο καθώς και το μέσο υψόμετρο της λεκάνης το ποίο δίνεται από τον τύπο (Κωτούλας, 2001): - 21 -
H m = Σ(I i *H i )/ΣI Όπου: H m : μέσο υψόμετρο (m) I: μήκος χωροσταθμικής καμπύλης (m) H i : Υψόμετρο της παραπάνω καμπύλης (m) i: αύξοντας αριθμός καμπύλης Ιδιαίτερη σημασία έχει επίσης και η μέση κλίση της επιφάνεια της λεκάνης, η οποία δίνεται από τη σχέση: J me =(ΔΗ*ΣΙ)/F N Jme: μέση κλίση λεκάνης % ΔΗ: ισοδιάσταση (m) ΣΙ: το άθροισμα των μηκών όλων των χωροσταθμικών καμπυλών της λεκάνης (km) F N : εμβαδό επιφάνειας λεκάνης (km 2 ) εξής: Συχνά χρησιμοποιείται και η μέση κλίση της κοίτης που δίνεται ως J ms =Σ(L*J s )/ ΣL J ms : μέση κλίση της κοίτης % L: οριζόντια απόσταση τμήματος της κοίτης με ορισμένη σταθερή κλίση J s : κλίση του παραπάνω τμήματος % Ως δείκτης κυκλικότητας (E c ) ορίζεται ο λόγος της επιφάνειας της λεκάνης (Σ Α ) προς την επιφάνεια κύκλου με περίμετρο ίδια με αυτή της λεκάνης (P Α ) E c = P Σ A 2 A / 4π - 22 -
Ως δείκτης συμπαγούς (E c ) ορίζεται ο λόγος της περιμέτρου της λεκάνης προς την περίμετρο κύκλου με επιφάνεια ίδια με αυτή της λεκάνης. E c = P A 4πΣ A Ως δείκτης επιμίκυνσης (EL) ορίζεται ο λόγος της πλευράς ενός τετραγώνου με επιφάνεια ίδια με αυτή της λεκάνης, προς ένα χαρακτηριστικό μήκος της λεκάνης LA όπως είναι η μέγιστη απόσταση. E L = Σ L A A Υδρογραφική πυκνότητα D ορίζουμε το λόγο του συνολικού μήκους όλων των κλάδων του δικτύου μιας αυτοτελούς λεκάνης απορροής δια του εμβαδού της λεκάνης αυτής D= ΣLu/Au. Οι τιμές τις οποίες μπορεί να πάρει η υδρογραφιή πυκνότητα ποικίλλουν μέσα σε ευρεία όρια. Έτσι διακρίνουμε χαμηλή υδρογραφική πυκνότητα για τις τιμές 3-4, μέση για τις τιμές 8-16 και υψηλή υδρογραφική πυκνότητα για τις τιμές 30-50. (Ζούρος, 2002) Η Υδρογραφική Συχνότητα (F) είναι ουσιαστικά ο λόγος του συνολικού αριθμού των κλάδων μιας λεκάνης απορροής προς το εμβαδό της λεκάνης και επηρεάζεται από την σκληρότητα των πετρωμάτων, την βλάστηση και το ανάγλυφο (Οι ίδιοι παράγοντες που επηρεάζουν την Υδρογραφική Πυκνότητα) (Παναγόπουλος, 2008). F=ΣΝ u /A u ( km -2 ) Μια καλή εικόνα για την υψομετρική κατάσταση της λεκάνης παρέχει η υψομετρική καμπύλη, η οποία εκφράζει γραφικά τη σχέση μεταξύ των υψομέτρων της λεκάνης ως προς τις επιφάνειες, που αυτά καταλαμβάνουν. Διακρίνεται σε απόλυτη και σχετική ή εκατοστιαία υψογραφική καμπύλη, - 23 -
ανάλογα με το αν χρησιμοποιούνται για τη σύνταξή της τα απόλυτα υψόμετρα ή ο λόγος των υψομέτρων h/η προς το λόγο των επιφανειών f/fn, Όπου: h : το απόλυτο υψόμετρο (m) Η : το μέγιστο υψόμετρο λεκάνης (m) f : η επιφάνεια που καταλαμβάνει κάθε υψόμετρο (km 2 ) F N : η επιφάνεια λεκάνης απορροής (km 2 ) (Κωτούλας, 2001) Για να γίνει η ποσοτική ανάλυση ενός υδρογραφικού δικτύου θα πρέπει πρώτα να καθορισθεί μια σχέση μεταξύ των κλάδων η οποία να βασίζεται στη διαφορά του μεγέθους και της θέσης κάθε κλάδου ως προς τους υπόλοιπους κλάδους (Ζούρος, 2002). Σύμφωνα με τον Horton οι μικρότεροι κλάδοι του δικτύου οι οποίοι δεν δέχονται τα νερά κανενός μικρότερου κλάδου αλλά μόνο τα νερά που συγκεντρώνονται επιφανειακά σε μια λεκάνη ονομάζονται κλάδοι 1 ης τάξης. Οι μεγαλύτεροι κλάδοι του δικτύου οι οποίοι δέχονται τα ύδατα ενός κλάδου 1 ης τάξης ονομάζονται κλάδοι 2 ης τάξης από την αρχή τους μέχρι το τέλος τους. Η αρχή αυτή επαναλαμβάνεται και για τις μεγαλύτερες τάξεις. Κλάδος 3 ης τάξης δέχεται τα νερά ενός κλάδου 2 ης τάξεως κ.ο.κ. (Ζούρος, 2002). Το 1952 ο Strahler πρότεινε μία νέα μέθοδο αρίθμησης η οποία περιγράφεται παρακάτω. Ρεύματα τα οποία δεν δέχονται τα νερά μικρότερων κλάδων ρευμάτων ονομάζονται 1 ης τάξης. Σύνδεση δύο κλάδων 1 ης τάξης δημιουργεί ένα ρεύμα 2 ης τάξης. Σύνδεση δύο κλάδων 2 ης τάξης δημιουργεί ένα ρεύμα 3 ης τάξης κ.ο.κ. Σε περίπτωση σύνδεσης δύο κλάδων διαφορετικής τάξης ο νέος κλάδος που προκύπτει εξακολουθεί να φέρει τον αριθμό της μεγαλύτερης τάξης από τους δύο κλάδους που συμβάλουν (Ζούρος, 2002). - 24 -
Σχήμα 2 : Αρίθμηση κατά Horton και Strahler Η ανάπτυξη του υδρογραφικού συστήματος, παρά το γεγονός ότι εξαρτάται από μεγάλο αριθμό τοπικών και γενικών παραγόντων φαίνεται ότι ακολουθεί ορισμένες αρχές. Οι αρχές αυτές διατυπώθηκαν αρχικά από τον Horton. Ο πρώτος νόμος τον οποίο διατύπωσε ο Horton αναφέρεται στη σχέση του αριθμού των κλάδων κάθε τάξης ενός υδρογραφικού δικτύου. Πράγματι ο Horton παρατήρησε ότι ενώ οι κλάδοι 1 ης τάξης ήταν οι περισσότεροι, ο αριθμός των κλάδων των μεγαλύτερων τάξεων μειώνεται γεωμετρικά μέχρι τον ένα κύριο κλάδο, τον κλάδου της μεγαλύτερης τάξης (Ζούρος, 2002). Ο αριθμός των διαδοχικά μικρότερης τάξεως κλάδων ενός υδρογραφικού δικτύου τείνει να σχηματίσει μια αύξουσα γεωμετρική ακολουθία της οποίας πρώτος όρος είναι η μονάδα (ο απλός κλάδος της μέγιστης τάξης) και λόγος, ο συντελεστής διακλάδωσης Rb. Η μαθηματική έκφραση του νόμου έχει ως εξής: N u =Rb (k-u) N u = αριθμός ρεμάτων τάξης u K= μέγιστη τάξη U= ζητούμενη τάξη Rb=συντελεστής διακλάδωσης Ο συντελεστής διακλάδωσης δίνεται από τη σχέση: Rb= N u /(N (u+1) ) Οι περισσότεροι λόγοι διακλάδωσης για τα φυσικά υδατορεύματα κυμαίνονται μεταξύ 3 και 5. Μικρότερες τιμές δείχνουν ένα χαμηλό επίπεδο - 25 -
ανάπτυξης ενώ μεγαλύτερες τιμές δείχνουν ένα υψηλό επίπεδο ανάπτυξης των υδατορευμάτων. Εάν μετρήσουμε τον αριθμό των κλάδων κάθε τάξης και τα προβάλλουμε σε ένα ημιλογαριθμικό διάγραμμα, θα βρούμε μία καθαρή αρνητική σχέση Για να ισχύει ο 1ος νόμος του Horton θα πρέπει η προβολή των σημείων στο γράφημα να είναι συνευθειακή (Παναγόπουλος, 2008). Σχήμα 3 : Πρώτος Νόμος του Horton Ο δεύτερος νόμος του Horton αφορά στη σχέση του μέσου μήκους των κλάδων κάθε τάξης σε ένα υδρογραφικό δίκτυο. Το μέσο μήκος των κλάδων κάθε τάξης δίνεται από τη σχέση : ML u =L u /N u. Η διατύπωση του νόμου μπορεί να γίνει και ως εξής: Τα αθροιστικά μέσα μήκη των διαδοχικά μεγαλύτερης τάξης κλάδων ενός υδρογραφικού δικτύου, τείνουν να σχηματίσουν μία αύξουσα γεωμετρική ακολουθία της οποίας πρώτος όρος είναι το μέσο μήκος των κλάδων 1 ης τάξης και λόγος, ο συντελεστής του μήκους (RL) (Ζούρος, 2002). Η μαθηματική έκφραση του νόμου δίνεται από την εξίσωση: (u-1) ΣΜL u = ML 1 R 1 ML u = το μέσο μήκος των κλάδων τάξης u ML 1 = το μέσο μήκος του κλάδου 1 ης τάξης U= ζητούμενη τάξη RL=Σ[ML u ]/Σ[ΜL (u-1) ] - 26 -
Εάν μετρήσουμε το μέσο μήκος των κλάδων κάθε τάξης και τα προβάλλουμε σε ένα ημιλογαριθμικό διάγραμμα, θα βρούμε μία καθαρή θετική σχέση Για να ισχύει ο 2ος νόμος του Horton θα πρέπει η προβολή των σημείων στο γράφημα να είναι συνευθειακή (Παναγόπουλος, 2008). Σχήμα 4 : Δεύτερος Νόμος του Horton - 27 -
ΚΕΦ 2 Ο ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΩΝ Ένα Σύστημα Γεωγραφικών Πληροφοριών (geographic information system-gis) ενσωματώνει το λογισμικό και τα δεδομένα για τη διαχείριση, την ανάλυση και την οπτικοποίηση όλων των μορφών γεωγραφικής πληροφορίας Τα συστήματα γεωγραφικών πληροφοριών επιτρέπουν την κατανόηση, την ερμηνεία και την απεικόνιση δεδομένων με πολλούς τρόπους και εξετάζουν και παρουσιάζουν την ύπαρξη σχέσεων, μοτίβων και τάσεων με τη μορφή χαρτών, αναφορών και διαγραμμάτων (ESRI, 2009). Η χωρική στατιστική έχει γνωρίσει σημαντική εξέλιξη τα τελευταία είκοσι χρόνια. Περιλαμβάνει ένα εντυπωσιακό σύνολο εξειδικευμένων μεθόδων και τεχνικών για την απεικόνιση, διερεύνηση και μοντελοποίηση χωρικών δεδομένων. Τα προβλήματα ανάλυσης χώρου στα οποία προσπαθεί να δώσει λύση είναι τριών ειδών: η ανάλυση προτύπου σημείων, η ανάλυση διαδικασιών, που δημιουργούν συνεχείς μεταβολές στον χώρο (Γεωστατιστική) και η ανάλυση φαινομένων, για τα οποία τα δεδομένα εμφανίζονται σε πολύγωνα (Kανάρογλου κ.ά., 2000). Η σύνδεση των μοντέλων με τα συστήματα γεωγραφικών πληροφοριών (GIS) αυξάνει τη δυνατότητα εφαρμογής των μοντέλων για τον σχεδιασμό σε περιφερειακό επίπεδο και την ανάλυση πολιτικής (Kar και Verna, 2004 cit. Hartkamp et al., 1999; Heinemann and Hoogenboom, 2000). Τα GIS είναι ένα ισχυρό υπολογιστικό πληροφοριακό εργαλείο στη διάθεση της πολιτικής και της λήψης αποφάσεων. Τα γεωγραφικά συστήματα πληροφοριών έχουν αναγνωριστεί για την ικανότητά τους στην μοντελοποίηση και στην ανάλυση γεωγραφικών φαινομένων. Για παράδειγμα, με τη χρήση των ΣΓΠ μπορεί να επιτευχθεί παρεμβολή μεταξύ ενός συνόλου σημειακών παρατηρήσεων, με αποτέλεσμα ο χρήστης να μπορεί να κάνει υποθέσεις για την επίδραση των αποστάσεων ή των κατευθύνσεων των σημείων του δείγματος (Smith κ.ά., 2005, cit. Burrough and McDonnell, 1998; Johnston et al., 2001; Burke, 1995). Τα GIS προσφέρουν μια αποτελεσματική υποστήριξη στην υδρολογική μοντελοποίηση. Ένα τέτοιο εργαλείο είναι σε θέση, να κατηγοριοποιεί και να αναλύει μεγάλες ποσότητες δεδομένων, απαραίτητων για την περιγραφή των υδρολογικών διαδικασιών σε διαφορετικές κλίμακες (Portoghese κ.ά., 2005, - 28 -
cit. Fuhrmann, 2000; Asadi and Hale, 2001). Η διαθεσιμότητα των ψηφιακών γεωγραφικών δεδομένων, ιδιαίτερα των ψηφιακών μοντέλων εδάφους, δημιουργεί νέες ευκαιρίες για τη μοντελοποίηση των λεκανών απορροής. Επιπλέον, η διαφοροποίηση και ποικιλία που υπάρχει στο χώρο, καθώς επίσης και η έλλειψη δεδομένων, καθιστούν τη χρήση των σύνθετων μοντέλων μη ρεαλιστική στο πεδίο (Frankenberger κ.ά.,1999). Με την εμφάνιση της αυξανόμενης υπολογιστικής δύναμης και της τεχνικής των GIS, η υδρολογική μοντελοποίηση έχει γίνει σημαντική στη σύγχρονη υδρολογία για την αξιολόγηση των επιπτώσεων της ανθρώπινης επέμβασης και πιθανής κλιματολογικής αλλαγής στην υδρολογία των λεκανών απορροής και τους υδατικούς πόρους (Alemaw και Chaoka, 2003). Τα υδρολογικά μοντέλα δημιουργούνται με τη βοήθεια των ΣΓΠ και τεχνικούς υδρολογικούς υπολογισμούς. Τα μοντέλα βασίζονται στο υδρολογικό ισοζύγιο και λαμβάνουν υπόψη τις επιφανειακές και υπόγειες διαδικασίες (Alemaw και Chaoka, 2003). Διεργασίες, όπως είναι η μέθοδος Kriging, δίνουν βάρη στις μετρήσεις για να προβλέψουν μια τιμή για μια περιοχή που δεν έχει μετρηθεί (Smith κ.ά., 2005, cit. Vieux, 2001; Johnston et al., 2001), επιτρέποντας στο χρήστη να μοντελοποιήσει επιφάνειες και να αντιπροσωπεύσει στο χώρο συνεχής παρεμβαλλόμενες τιμές. Η υδρολογική διαχείριση φαίνεται να ωφελείται από αυτή την ικανότητα των ΣΓΠ να παρέχουν τη χωρική λεπτομέρεια για τις αναλύσεις των κατακρημνισμάτων, της παροχής και της απορροής (Smith κ.ά., 2005). 2.1 ΥΔΡΟΛΟΓΙΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ Το μοντέλο «Soil Moister Routing Model» χρησιμοποιεί το υψόμετρο, εδαφολογικά δεδομένα και δεδομένα χρήσεων γης για υπολογίσει με απλό τρόπο την εδαφική υγρασία και την απορροή στις λεκάνες με ρηχά εδάφη. Η χρήση των GIS για την παρακολούθηση όλων των παραμέτρων και των μεταβλητών το καθιστά εύκολο στη χρήση και την τροποποίηση σε διαφορετικές συνθήκες (Frankenberger κ.ά., 1999). - 29 -
Το πρόγραμμα GRID, μια ενότητα διαθέσιμη στο πακέτο ράστερ GIS του λογισμικού ArcInfo, επιτρέπει διάφορες υδρολογικές διαδικασίες όπως τον προσδιορισμό της κατεύθυνσης ροής, προς τα κατάντη συσσώρευση νερού, και σχεδιασμό υδροκρίτη. Μια από τις δυνάμεις αυτής της βασισμένης σε κελιά διεργασίας είναι η δημιουργία χαρτών με τη χρήση της άλγεβρας. Με την άλγεβρα χαρτών, οι μεταβλητές είναι πραγματικά στρώματα χαρτών (πλέγμα ράστερ). Ο αλγεβρικός χειρισμός αυτών των πλεγμάτων μπορεί να εκτελεσθεί σε τοπικό ή μεμονωμένο επίπεδο κελιών, επίπεδο γειτονιάς (κελιά που περιβάλλουν το κελί ενδιαφέροντος), επίπεδο ζωνών (αλλαγή αξίας ομάδων κελιών), ή σε διεθνές επίπεδο (αλλαγή τιμής ολόκληρου του πλέγματος) (White κ.ά., 1996). Το μοντέλο SWAT είναι το ακρωνύμιο για Soil and Water Assessment Tool, δηλαδή, εργαλείο για την αξιολόγηση του εδάφους και του νερού ενός ποταμού, ή μιας λεκάνης απορροής, και δημιουργήθηκε από τον Δρ. Jeff Arnold για το USDA Agricultural Research Service (ARS). Το SWAT δημιουργήθηκε με σκοπό την πρόβλεψη των επιπτώσεων των διαφορετικών πρακτικών διαχείρισης γης στο νερό, στο έδαφος και στη γεωργία σε μεγάλες πολύπλοκες λεκάνες απορροής με ποικίλα είδη εδαφών, χρήσεις γης και καθεστώτα διαχείρισης για μεγάλες περιόδους. Το μοντέλο SWAT είναι βασισμένο σε φυσικές διεργασίες. Το μοντέλο χρειάζεται συγκεκριμένες πληροφορίες για την μετεωρολογία, τις ιδιότητες του εδάφους, την τοπογραφία, τη βλάστηση και τις πρακτικές διαχείρισης που υφίστανται στη λεκάνη απορροής. Οι φυσικές διαδικασίες που σχετίζονται με την κίνηση του νερού, την κίνηση των σωματιδίων, την ανάπτυξη των καλλιεργειών, τον κύκλο των θρεπτικών συστατικών κλπ. μοντελοποιούνται απευθείας από το SWAT χρησιμοποιώντας τα παραπάνω δεδομένα εισροής (Neitsch κ.ά., 2005). Το αυτοματοποιημένο εργαλείο αξιολόγησης του Λεκανών (Automated Geospatial Watershed Assessment, AGWA) χρησιμοποιείται για να παρέχει τις εισροές στο εργαλείο SWAT (Soil and Water Assessment Tool) Αυτά τα μοντέλα λειτουργούν στις διαφορετικές χρονικές και χωρικές κλίμακες και μπορούν να εφαρμοστούν σε μια σειρά περιβαλλοντικών συνθηκών για να αξιολογήσουν τις επιδράσεις αλλαγής της εδαφοκάλυψης στην υδρολογική και διαβρωτική απόκριση. (Miller κ.ά., 2007) - 30 -