Έρευνα γεωμορφολογικών και περιβαλλοντικών μεταβολών στην υδρολογική λεκάνη του Σπερχειού ποταμού με χρήση νέων τεχνολογιών

Abstract

Η τηλεπισκόπηση είναι σήμερα ο πλέον σύγχρονος τρόπος παρατήρησης του περιβάλλοντος, καθώς αναδεικνύεται σε ένα αποτελεσματικό εργαλείο για την παρακολούθηση των επιφανειακών χαρακτηριστικών της Γης. Η χρήση των δορυφορικών εικόνων σε συνδυασμό με τα Γεωγραφικά Πληροφοριακά Συστήματα (ΓΠΣ), μπορούν να βοηθήσουν στη λήψη πληροφοριών που αφορούν την κάλυψη/χρήση γης, τις υφιστάμενες αλλαγές που έχουν λάβει χώρα σε ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα και τη δημιουργία ή ενημέρωση των αντίστοιχων βάσεων δεδομένων, δεδομένου ότι τις περισσότερες φορές οι υπάρχοντες θεματικοί χάρτες δεν καλύπτουν τις σημερινές ανάγκες των χρηστών λόγω της παλαιότητας και των σοβαρών ανακριβειών που εμπεριέχουν. Οι παράκτιες ζώνες αποτελούν ένα από τα πιο πολύπλοκα και δυναμικά οικοσυστήματα της γης με έναν μεγάλο αριθμό έμβιων και μη πόρων. Για το λόγο αυτό οι παράκτιες ζώνες είναι περιοχές με αυξημένη κοινωνικοοικονομική σημασία, παγκόσμια. Μεταξύ των διαφόρων μορφολογικών τύπων των παράκτιων περιοχών, τα δέλτα των ποταμών αποτελούν ένα δυναμικό σύστημα στεριάς και θάλασσας, το οποίο επιδέχεται ισχυρές πιέσεις, τόσο από φυσικούς (κλιματικές αλλαγές) όσο και από ανθρωπογενείς (αστικοποίηση, μεταφορές, τουρισμός, καλλιέργειες) παράγοντες. H τηλεπισκόπηση και τα ΓΠΣ αποτελούν ένα εύχρηστο εργαλείο για την έρευνα της χρήσης/κάλυψης γης των παράκτιων περιοχών και των δέλτα. Στόχος της διατριβής ήταν, πρωτίστως, η διερεύνηση των δυνατοτήτων που έχουν τα δορυφορικά δεδομένα και οι αεροφωτογραφίες στην αναγνώριση τις υφιστάμενης γεωμορφολογικής και περιβαλλοντικής κατάστασης, στην μελέτη των διαχρονικών αλλαγών χρήσης/κάλυψης γης για την περίοδο 1984-2007, καθώς και τις αλλαγές της ακτογραμμής για το χρονικό διάστημα 4.500 π.Χ. έως 2.007. Ακόμα, διερευνήθηκε ο καθορισμός των αιτιών που οδήγησαν στις αλλαγές αυτές και εξετάστηκε η επίδραση του ανθρώπινου παράγοντα, ιδιαίτερα στο φυσικό περιβάλλον. Η περιοχή έρευνας είναι η λεκάνη απορροής και η παράκτια περιοχή του Σπερχειού ποταμού, ο οποίος χύνεται στον Μαλιακό κόλπο. Ο Μαλιακός είναι ένα ημίκλειστος κόλπος που βρίσκεται στις ανατολικές ακτές της ηπειρωτικής χώρας. Η λεκάνη καλύπτει έκταση, περίπου 1.828 km2, έχει κατά προσέγγιση 60-80 km μήκος, 20-30 km πλάτος με το νότιο και δυτικό τμήμα της να παρουσιάζουν μεγαλύτερα υψόμετρα και απότομες κλίσεις, ενώ το βόρειο τμήμα παρουσιάζει μικρότερα υψόμετρα και ήπιες κλίσεις. Η έρευνα γενικά αποτελείται από 3 κύρια μέρη, στη βάση της διαφοροποίησης των γεωμορφολογικών και περιβαλλοντικών χαρακτηριστικών. Το πρώτο μέρος περιλαμβάνει την βασική μεθοδολογία σχεδιασμού και χρήσης των ΓΠΣ. Η δημιουργία της χωρικής γεωβάσης βοηθάει στην ανάλυση των μορφομετρικών παραμέτρων της λεκάνης και στον υπολογισμό των ευαίσθητων περιοχών σε πρόκληση κατολίσθησης, πυρκαγιάς και πλημμύρας. Επιπλέον, εκτιμήθηκε ο κίνδυνος που διατρέχει το ανθρώπινο περιβάλλον από την πρόκληση των προαναφερόμενων φυσικών καταστροφών. Η ανάλυση των μορφομετρικών παραμέτρων της λεκάνης του ποταμού Σπερχειού, καθώς και ξεχωριστά των 4 κυριότερων υπολεκανών του νότιου και βόρειου τμήματος (8 συνολικά), έδειξε την σημαντική διαφοροποίηση των μορφολογικών και τεκτονικών χαρακτηριστικών κάθε τμήματος. Το βόρειο τμήμα χαρακτηρίζεται από λεκάνες σχήματος V με ήπιες κλίσεις και φαρδιές λεκάνες απορροής, Το κεντρικό τμήμα έχει παρόμοια υψόμετρα, που ξεκινούν από τα 650 m aκαι φτάνουν έως τα 200 m, από όπου οι χείμαρροι περνούν ήπια προς τα συμφυή αλουβιακά ριπίδια, μέχρι την συμβολή τους με τον Σπερχειό. Στο νότιο τμήμα, τα ανάντη των λεκανών είναι σχετικά πιο επίπεδα, ενώ το μεσαίο τμήμα τους είναι πολύ απότομες κλίσεις με πολύ απότομα φαράγγια. Στο σημείο που περνούν από το ορεινό τμήμα προς την πεδιάδα σχηματίζουν ευκρινή και μεγάλα αλουβιακά ριπίδια, που κατέρχονται απότομα προς τον Σπερχειό. Για την δημιουργία του χάρτη Ευαισθησίας σε Κατολίσθηση, 11 διαφορετικοί παράγοντες συνδυάστηκαν στο περιβάλλον του ΓΠΣ. Τα αποτελέσματα από αυτόν τον χάρτη έδειξαν ότι η λεκάνη, σε ποσοστό 2,48 % παρουσιάζει Ελάχιστη ευαισθησία, σε ποσοστό 11,81% Πολύ χαμηλή, σε 30,44% Χαμηλή, σε 29,84% Μέτρια, σε 19,25% Υψηλή και σε 6,18% της έκτασής της παρουσιάζει Πολύ υψηλή ευαισθησία σε εκδήλωση κατολισθητικών φαινομένων. Επιπρόσθετα, για να εκτιμηθεί ο κίνδυνος που προέρχεται από την ευαισθησία της περιοχής σε κατολίσθηση, πλημμύρα και πυρκαγιά, δημιουργήθηκε ένας χάρτης ανθρώπινης έκθεσης σε κίνδυνο, χρησιμοποιώντας τον συνδυασμό της πληθυσμιακής πυκνότητας, της χρήση/κάλυψης γης και του οδικού δικτύου. Ο κίνδυνος από την εκδήλωση αυτών των φυσικών καταστροφών, έδειξε ότι 38,72% του ανθρώπινου περιβάλλοντος διατρέχει Ελάχιστο κίνδυνο, 26,60% Πολύ χαμηλό, 19,75% Χαμηλό, 9,94% Μέτριο, 3,64% Υψηλό και 1,36% Πολύ υψηλό κίνδυνο έκθεσης. Το δεύτερο μέρος σχετίζεται με την επεξεργασία και διαχείριση των τηλεπισκοπικών δεδομένων. Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα διατριβή ήταν οι εικόνες του Landsat 5 TM and Landsat 7 ETM+ με ημερομηνίες λήψης στις 26/7/1984, 28/7/1999 και 26/7/2007 και εικόνες radar του ERS-2 radar με ημερομηνίες λήψεις στις 18/06/1998, 14/1/1999 και 21/10/1999. Επίσης, χρησιμοποιήθηκαν και αεροφωτογραφίες του 1945, 1960, 1986, 1997 και 2007. Με την χρήση των εικόνων του Landsat, δοκιμάστηκαν 5 διαφορετικές τεχνικές για την καταγραφή των διαχρονικών αλλαγών της χρήσης/κάλυψης γης της λεκάνης, καθώς και των καθορισμό της φύσης αυτών των αλλαγών. Τελικά, προτιμήθηκαν η Επιλεκτική Ανάλυση Κύριων Συνιστωσών και ο Συνδυασμός των Εικόνων Μετά-ταξινόμησης για την διάκριση των μεταβολών. Η πρώτη μέθοδος δεν έδωσε ικανοποιητικά στοιχεία για την φύση των αλλαγών, αλλά χρησιμοποιήθηκε συμπληρωματικά, ως βοηθητικό στοιχεία για την ταξινόμηση της φύσης των μεταβολών στην εικόνα που προέκυψε από την σύγκριση των εικόνων της μετά-ταξινόμησης. Στην τεχνική της μετά-ταξινόμησης οι τρεις εικόνες Landsat ταξινομήθηκαν με την μέθοδο της επιβλεπόμενης ταξινόμησης, εφαρμόζοντας τον αλγόριθμο της μέγιστης πιθανοφάνειας. Η διαδικασία της ταξινόμησης, βοηθήθηκε και από τα δείγματα εδάφους που συλλέχθηκαν στην ύπαιθρο, καθώς και την φωτοερμηνεία των αεροφωτογραφιών, προκειμένου να βελτιωθεί η ακρίβεια των τελικών χαρτών χρήσης/κάλυψης γης. Ο συνδυασμός των τριών θεματικών χαρτών ανά ζεύγη, αποτύπωσε εντονότερα τις μεταβολές που έλαβαν χώρα κατά τα χρονικά διαστήματα 1984-1999 και 1999-2007. Οι μεταβολές που καταγράφηκαν είναι σημαντικές και αφορούν: (α) την αστική πύκνωση και, επέκταση ιδιαίτερα στις περιαστικές ζώνες των μεγαλύτερων οικισμών (Λαμία, Ανθήλη, Μακρακώμη κλπ) και στην παράκτια ζώνη, (β) την ταχεία ανάπτυξη των καλλιεργειών εις βάρος κυρίως της φυσικής βλάστησης και την μετατροπή των χειμερινών αροτραίων καλλιεργειών σε θερινές και το αντίστροφο, ανάλογα με το υπάρχον καθεστώς επιδοτήσεων, (γ) την αποψίλωση των δασικών εκτάσεων, εξαιτίας των πυρκαγιών και των εκχερσώσεων, (δ) την εξαφάνιση της φυσικής βλάστησης, ιδιαίτερα στις παρά την όχθη περιοχές του Σπερχειού και (ε) την υποβάθμιση του φυσικού τοπίου με την επέκταση των γυμνών εδαφών και βοσκοτόπων εις βάρος της φυσικής βλάστησης. Η χρήση των τριών εικόνων radar αφορούσε την εκτίμηση των εποχιακών μεταβολών των καλλιεργειών της παράκτιας ζώνης για το διάστημα από τον Ιούνιο του 1998 έως τον Οκτώβριο του 1999, καθώς και τον καλύτερο εντοπισμό των αβαθών στην περιοχή της ακτογραμμής. Για το λόγο αυτό δημιουργήθηκε μία σύνθετη ψευδέγχρωμη εικόνα Εποχιακής Διαφοροποίησης και μία εικόνα Ανάλυσης Κύριων Συνιστωσών. Επιπλέον, για την καταγραφή των μεταβολών της ακτογραμμής από το 4.500 π.Χ. μέχρι και το 2007, πραγματοποιήθηκε μία συγκριτικής αποτύπωσή της με την βοήθεια παλιών παλαιότερων τοπογραφικών χαρτών και αεροφωτογραφιών, στο περιβάλλον του ΓΣΠ. Ο ρυθμός μεταβολής κυμαινόταν από 0,31 έως 2,79 m/year, με εξαίρεση την περίοδο από το 1805 έως το 1852 όπου ήταν 8,95 m/year. Η σημερινή θέση του Σπερχειού, δημιουργήθηκε από την μετατόπιση βορειότερα, ύστερα από ένα μεγάλο πλημμυρικό συμβάν του 1889. Επίσης, η δημιουργία του Αγωγού Εκτροπής ή Υπερχειλιστή το 1957-58, συνέβαλε στην πρόσχωση του βόρειου τμήματος του κόλπου από το 1960 έως το 1986. Τα τελευταία 22 χρόνια (1986-2007), η ακτογραμμή έχει παραμείνει σχεδόν αμετάβλητη. Οι ανθρωπογενείς παρεμβάσεις που επηρέασαν την παράκτια περιοχή σε αυτό το διάστημα, είχαν να κάνουν με μεταβολές των καλλιεργειών και την κατασκευή έργων υποδομής (οδικό δίκτυο, κανάλια άρδευσης-στράγγισης κλπ). Το τελευταίο τμήμα της μελέτης, περιελάμβανε τον υπολογισμό του υδρολογικού ισοζυγίου, χρησιμοποιώντας τα δεδομένα βροχόπτωσης από 8 μετεωρολογικούς σταθμού και για τα υπόλοιπα μετεωρολογικά δεδομένα από 2 σταθμούς, για το διάστημα 1980-2001. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν μία μείωση των κατακρημνισμάτων και μία αύξηση της θερμοκρασίας (+0,5 οC), για τα τελευταία 40 και 30 χρόνια, αντίστοιχα. Επιπροσθέτως, πραγματοποιήθηκαν χημικές αναλύσεις σε επιφανειακά (15 δείγματα) και υπόγεια νερά (57 δείγματα), το 2007. Τα αποτελέσματα των αναλύσεων και η σύγκριση με μία παλαιότερη δειγματοληψία (1971), έδειξε μία αύξηση της συγκέντρωσης στα Cl-, NO3-, SO4- και Na+ σε αρκετά δείγματα. Επίσης, εντοπίστηκαν υψηλές τιμές συγκέντρωσης βαρέων μετάλλων, στο Pb2+, Cd2+, Ni+ και Zn2+. Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε στην παρούσα διατριβή μπορεί να αποτελέσει ένα σημαντικό εργαλείο σε εθνικό ή τοπικό επίπεδο, το οποίο μπορεί να βοηθήσει στην ορθή διαχείριση της κάλυψης/χρήσης γης, τη διατήρηση και προστασία του φυσικού περιβάλλοντος, την μείωση της επικινδυνότητας πρόκλησης φυσικών καταστροφών και να ικανοποιήσει την επιτακτική ανάγκη για αειφορική διαχείριση των φυσικών πόρων.

Remote sensing is today the modernist manner of observation of environment, as it is set off in an effective tool for the monitoring of geomorphologic characteristics. The use of satellite images in combination with Geographical Information Systems (GIS), can help in the reception of information that concerns the land cover/use, the undergoing changes that have taken place in a specific time interval and the creation or updating of correspondent data bases, given that most times the existing thematic maps do not cover the current needs of users because of the age and the serious inaccuracies that they include. Coastal zones are one of the most complicated and dynamic earth-ecosystems with a large number of living and non-living recourses; therefore, coastal zones are areas of major socio-economical importance, worldwide. Among the various morphological types of coastal zone, river deltas represent a highly dynamic land-water interface that is also subjected also to a strong pressure of several natural (e.g. climatic change) and anthropogenic (e.g. urbanization, transportation, tourism, cultivations) factors. Remote sensing satellite data and GIS provide a unique tool for research and monitoring land use/cover, coastal areas and deltaic environments. The aim of the thesis was, mainly, the investigation of satellite and aerial photo data capabilities to detect the undergoing environmental and geomorphologic conditions, to study the diachronic changes of land cover/use at time interval 1984-2007 and the coastline changes at time interval 4.500 BC - 2007. Also, the determination of reasons that caused these changes, the monitoring and analyses of human pressure, especially to the natural environment are examined. The area under investigation is the basin and the mouth area of the River Sperchios that debouches to the eastern coast of the Maliakos Gulf; the latter is a semi-enclosed embayment located on the east coast of the Greek mainland. The basin covers an area of some 1.828 km2, is approximately 60-80 km long, 20-30 km wide with its southern and western flanks characterized by high elevations and steep slopes, whilst its northern flank presents lower elevations and more gently slopes. The whole research generally consisted of 3 main parts, on the basis of the differentiation of the geomorphologic and environmental characteristics. The first part contains the basic methodology of designing and using GIS. The creation of a spatial geodatabase helps to the analysis of the morphometric parameters of the basin and the computation of the susceptible areas to landslide, fire and flood events. Furthermore the risk of human environment to this kind of natural hazards is estimated. The analysis of the morphometric parameters of the Sperchios river basin, and separately of the 4 main sub-basins of the northern and southern part (totally 8), shows the significant difference of the morphological and tectonic characteristics of each part. The shape and slope of the northern part is characterized by V-shaped valleys with v gentle slopes and broad watersheds. The central part has similar elevations, starting from about 650 m and reaching down to 200 m. Below this altitude, the tributaries gently pass into the coalescent alluvial fan surfaces till they join the Sperchios River. The southern part has flatter upper reaches while the middle parts are much steeper and some of them have cut deep gorges. Upon leaving the mountains, they form distinct alluvial fans, sloping steeply towards the Sperchios. For the formation of the Landslide Susceptibility map (LS), 11 different factors were combined using GIS. The results revealed that the basin area has a 2,48 % with minimum landslide susceptibility, 11,81% with very low, 30,44% with low, 29,84% moderate, 19,25% with high and 6,18% with very high landslide susceptibility. Additionally, two maps of flood and fire susceptibility were created. Moreover, in order to estimate the risk that was derived from the susceptibility of the area to landslide, fire and flood events, a map of human exposure of the area was formed by using the combination of population density, land use/cover and road network layers. The risk from the infliction of these natural hazards to human environment, shows that a 38,72% of the basin area runs a minimum risk, 26,60% a very low, 19,75% a low, 9,94% a moderate, 3,64% high and 1,36% runs a very high risk. The second part is related to the processing of remote sensing data. The remotely sensing data used in this study were Landsat 5 TM and Landsat 7 ETM+ images with acquisition date of 26/7/1984, 28/7/1999 and 26/7/2007 and ERS-2 radar images with acquisition date of 18/06/1998, 14/1/1999 and 21/10/1999. Likewise, a data set of aerial photos from 1945, 1960, 1986 and 2007 was utilized. Using Landsat images, five change detection techniques were employed to detect and analyze the kind of land use/cover changes. Selective Principal Component Analysis (SPCA) and Post-classification comparison techniques were finally selected to detect the changes. The SPCA method didn’t give reliable results for the kind of changes, but was used as a supplementary tool for the determination of changes derived from the postclassification comparison image. In the post-classification technique, the three Landsat images were classified with the method of supervised classification and the application of maximum likelihood classifier. The process of classification was supported by the data collected from field surveys and the visual interpretation of aerial photos, for the improvement of the accuracy of land cover/use thematic maps that resulted and the reliability estimate of final data. The combination of the three thematic maps in pairs, have enhanced the changes that took place over the periods 1984-1999 and 1999-2007. The changes that were recorded are important and rapid and they concern: (a) the intense urban growth and expansion that is observed mainly at the bigger settlements (Lamia, Anthili, Makrakomi etc.) and especially in the coastal area, (b) the most rapid advance of cultivations at the expense of natural vegetation and the conversion from winter to summer arable crops and reversely, according to the subsidies regime, (c) the deforestation of a big part of the forests, by means of the fires and land reclamations, (d) the disappearance of natural vegetation and replacement by cultivations especially in the river vicinity area and (e) the degradation and denudation of natural landscape (expansion of bare soils and rangeland). vi The use of the three radar images concerns the assessment of the seasonal crop changes of the coastal deltaic plain for the time span of June 1998 to October 1999 and the mapping of the coastal shallow areas so as to assist the record of the coastline changes. For this reason a Temporal Differentiate false color image and a Principal Component Transform image were created. Furthermore, having as a goal to assess the temporal coastline changes and the changing rate that have taken place in Sperchios R. from 4.500 BC to 2007, a comparative study of old topographic maps and aerial photos was accomplished (acquired in 1945, 1960, 1986, 1997 and 2007) assisted by the GIS. The rate of changes varies from 0,31 to 2,79 m/year; unlike to these values, during the period from 1805 to 1852 the changing rate was 8,95 m/year. The present position of the active mouth derived from the last major shift occurred in 1889 when, during a flood, a crevasse altered its flow to a northern direction. Moreover, the construction of the spillway in 1957-58 has definitely contributed to the accretion rate increase from 1960 to 1986. During the subsequent twenty two years (1986-2007) the coastline has remained relatively stable. The anthropogenic changes that influence the coastal changes during that period, concerns crop changes and the construction of several infrastructures such as drainage channels, flood protection works and road network. The last part includes the computation of Sperchios basin hydrological balance, using the meteorological data of 8 different meteorological stations for the precipitation and 2 stations for the rest meteorological parameters, during the period 1980-2001. The results revealed an obvious reduction of the precipitations and an increase of the region temperature for 0,5 οC, during the last 40 and 30 years, respectively. Additionally, chemical analysis of surface and spring waters (15 samples) and groundwater (57 samples) took place in 2007. The conclusions of this analysis and the comparison to older research (1971) show an increase of the concentrations of Cl-, NO3 -, SO4 2- and Na+ in several samples. In addition, high concentrations of heavy minerals such as of Pb2+, Cd2+, Ni+ and Zn2+ were found. The methodology developed in the present thesis constitutes an important tool in local or national level, which could potentially help in the proper land use/cover and coastal area management, the conservation and protection of natural environment, the reduction of appearance of natural hazards, and finally, to satisfy the imperative need for sustainable management of natural resources.