Ανάπτυξη στρατηγικών για την ποσοτική εκτίμηση της στερεοαπορροής από την υδατική διάβρωση με τη χρήση συστημάτων υποστήριξης αποφάσεων σε ορεινές υδρολογικές λεκάνες

Abstract

Η εδαφική διάβρωση είναι το φυσικό γεωλογικό φαινόμενο, το οποίο μπορεί να οριστεί ως η απομάκρυνση της επιφανειακής εδαφικής στρώσης εξαιτίας φυσικών (πχ βροχόπτωση, επιφανειακή απορροή) ή/ και ανθρωπογενών (πχ άροση) παραγόντων, ενώ περιλαμβάνει τρείς διακριτές φάσεις/ δράσεις – αποκόλληση, μεταφορά, απόθεση (επί της λεκάνης απορροής) ή/ και στερεομεταφορά στο υδατόρευμα. Αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα σύγχρονα περιβαλλοντικά προβλήματα παγκοσμίως, επηρεάζοντας άμεσα τόσο το φυσικό (πχ υποβάθμιση του εδάφους, αφαίρεση του γόνιμου επιφανειακού εδαφικού ορίζοντα και της φυσικής βλάστησης/ ερημοποίηση, μεταφορά φερτών υλικών και αλλοίωση του φυσικού τοπίου) όσο και το ανθρωπογενές περιβάλλον (πχ μείωση της αγροτικής παραγωγής, πρόσχωση ταμιευτήρων και μείωση της αποθηκευτικής τους ικανότητας, πρόσχωση υδατορευμάτων και αύξηση του κινδύνου πλημμυρών). Η ανάγκη για την ακριβή εκτίμηση και πρόβλεψη του φαινομένου, εξαιτίας των σημαντικών οικονομικών, περιβαλλοντικών και κοινωνικών επιπτώσεων που επιφέρει, οδήγησε στην ανάπτυξη ομοιωμάτων με διαφορετικό βαθμό ακρίβειας και πολυπλοκότητας, με σκοπό την ακριβέστερη δυνατή ποσοτικοποίηση του και τον εντοπισμό των περιοχών όπου είναι απαραίτητη η λήψη κατάλληλων μέτρων αντιδιαβρωτικής προστασίας. Τα ομοιώματα (models) διάβρωσης, ανάλογα με τις φυσικές διεργασίες που προσομοιώνουν, τις εξισώσεις που χρησιμοποιούν, το ζητούμενο αποτέλεσμα και την επιθυμητή ακρίβεια διακρίνονται σε εμπειρικά (empirical), προσδιοριστικά {τα οποία μπορεί να είναι είτε φυσικά θεμελιωμένα (physically based) είτε εννοιολογικά (ή παραμετρικά) (conceptual)} και στοχαστικά (stochastic). Λαμβάνοντας υπόψη τα ανωτέρω, βασικό στόχο της παρούσης διδακτορικής διατριβής αποτέλεσε η εκτίμηση της εδαφικής απώλειας σε ορεινές υδρολογικές λεκάνες μεσογειακού τύπου, μέσω της τροποποίησης της ΠΕΕΑ {καταλληλότερη για εφαρμογή στις λεκάνες της περιοχής έρευνας μεταξύ 12 εμπειρικών ομοιωμάτων διάβρωσης ύστερα από ποιοτική (ιδιότητες, γενικά χαρακτηριστικά) και ποσοτική (αριθμητικά αποτελέσματα) αξιολόγηση}. Πεδίο έρευνας αποτέλεσαν οι υδρολογικές λεκάνες των π. Βενέτικου, Καλαμά (υπολεκάνες γ. Σουλόπουλο, Κιοτέκι), Αράχθου (υπολεκάνες γ. Πλάκα, γ. Τσίμοβο, γ. Γκόγκο, γ. Άρτα), Αχελώου (υπολεκάνη φρ. Αυλάκι), με τις επιμέρους υπολεκάνες να περιλαμβάνουν την ανάντη έκταση των ομώνυμων υδρομετρικών σταθμών. Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε, περιλαμβάνει την εφαρμογή διαφορετικών εμπειρικών ομοιωμάτων διάβρωσης {ΠΕΕΑ (USLE) των Wischmeier & Smith (1978), Αναθεωρημένη ΠΕΕΑ (RUSLE) των Renard et al. (1991), ομοίωμα Gavrilovic (EPM) (Gavrilovic, S., 1962; 1970; 1972), σχέση Κουτσογιάννη-Τάρλα (1987), σχέση Syvitski (Syvitski et al., 2003), λοιπές εμπειρικές σχέσεις [Avendano Salas et al. (1997), Dendy and Bolton (1976), Lu et al. (2003), Webb and Griffiths (2001)], γεωμορφολογική εξίσωση (Λυκούδη και Ζαρρής, 2006; Zarris et al., 2007)}, σε κάθε μια από τις προαναφερθείσες υδρολογικές λεκάνες. Επισημαίνεται πως και το ομοίωμα PESERA σε μορφή υπολογιστικού φύλλου [PESERA_VBA (Excel) MODEL] (Irvine and Kosmas, 2007) εφαρμόστηκε αρχικά στην υδρολογική λεκάνη του π. Βενέτικου. Η κακή του απόδοση δεν επέτρεψε την περεταίρω εφαρμογή του στις λοιπές υδρολογικές λεκάνες. Η επιλογή των σχετικών ομοιωμάτων, έγινε λαμβάνοντας υπόψη ένα σημαντικό αριθμό κριτηρίων (σκοπός κατασκευής, επιστημονική εγκυρότητα, διαδικασίες προσομοίωσης, χωρική και χρονική ανάλυση, απαιτήσεις σε δεδομένα, ακρίβεια, υπολογιστική ταχύτητα, ευκολία στη χρήση, κόστος εφαρμογής, προσαρμοστικότητα σε διαφορετικές περιοχές, συνθήκες και ανάγκες), σε απόλυτη συνάρτηση με την υφιστάμενη κατάσταση που επικρατεί στην Ελλάδα, όπου τα απαραίτητα πρωτογενή ερευνητικά δεδομένα χαρακτηρίζονται από περιορισμένη διαθεσιμότητα, κατακερματισμό μεταξύ διαφορετικών υπηρεσιών και φορέων, απουσία ή εμφάνιση σημαντικών ελλείψεων και συχνά ελεγχόμενη αξιοπιστία. Η επεξεργασία έγινε με τη χρήση Γεωγραφικών Πληροφοριακών Συστημάτων (ΓΠΣ) τα οποία παρέχουν τη δυνατότητα οπτικοποίησης των αποτελεσμάτων (χωρική αποτύπωση των επί μέρους παραγόντων/ συντελεστών των ομοιωμάτων και των περιοχών υψηλής επικινδυνότητας στην εδαφική διάβρωση, μέσω της εξαγωγής ψηφιακών χαρτών), ενώ παράλληλα αυξάνεται η ακρίβεια και η υπολογιστική ευκολία της εφαρμογής. Το σύνολο των ομοιωμάτων εφαρμόζεται αρχικά σε ετήσιο και υπέρ-ετήσιο χρονικό βήμα (π. Βενέτικος: 1/10/1965-30/9/1982, π. Καλαμάς: 1/10/1987-30/9/2002, π. Άραχθος: 1/10/1965-30/9/1976, π. Αχελώος: 1/10/1965-30/9/1984) σε όλες τις διαθέσιμες υδρολογικές λεκάνες. Ακολουθεί η ποιοτική (ως προς τα διαφορετικά χαρακτηριστικά και δυνατότητες τους) και η ποσοτική {τα αριθμητικά τους αποτελέσματα (ετήσιο/ υπέρ-ετήσιο χρονικό βήμα) συγκρίνονται με τις παρατηρημένες τιμές στερεοαπορροής (προκύπτουν από τις αντίστοιχες μετρήσεις στερεοπαροχής, όπως αυτές διεξήχθησαν από τη ΔΕΗ) της εκάστοτε υδρολογικής λεκάνης} τους αξιολόγηση, προκείμενου να διαπιστωθεί ποιο εξ αυτών είναι καταλληλότερο για εφαρμογή στο σύνολο του δείγματος. Εν συνεχεία, το επιλεγέν ομοίωμα (RUSLE), χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα της υπέρ-ετήσιας εφαρμογής του και λαμβάνοντας υπόψη τις αντίστοιχες παρατηρημένες τιμές στερεοαπορροής, τροποποιείται κατάλληλα (απόδοση συντελεστή βάρους ανά παράγοντα) μέσω στατιστικών διαδικασιών (Non-linear Regression). Κατά τη διαδικασία τροποποίησης, ως παρατηρημένες θεωρούνται αρχικά οι τιμές που υπολογίζονται από τις μετρήσεις στερεοπαροχής (ΔΕΗ) στην έξοδο κάθε υδρολογικής λεκάνης. Η ελεγχόμενη αξιοπιστία των τελευταίων (μη συστηματικές και συχνά ανεπαρκείς, διεξήχθησαν κυρίως στο στάδιο σχεδιασμού των έργων κατασκευής ταμιευτήρα, ενώ αφορούσαν μόνο το φορτίο αιώρησης και συχνά σταματούσαν μετά το πέρας της κατασκευής, εγγενή σφάλματα που εμπεριέχονται στη μεθοδολογία μέτρησης της στερεοπαροχής σε μια διατομή υδατορεύματος), η κριτική που δέχονται από διάφορους συγγραφείς και το γεγονός ότι στις υπολεκάνες γ. Σουλόπουλο και Κιοτέκι του π. Καλαμά δεν υπάρχουν διαθέσιμες, οδήγησε στο να θεωρούνται ως παρατηρημένες οι τιμές που εξήχθησαν από την εφαρμογή της αντιπροσωπευτικής μεθοδολογίας κατασκευής καμπυλών παροχής-στερεοπαροχής κάθε λεκάνης. Το ομοίωμα RUSLE παραμένει και στην περίπτωση αυτή το επικρατέστερο έναντι των υπολοίπων. Ο όρος σφάλματος Σ(SYsim-SYobs)2 μειώνεται σταδιακά από 40,213.06t/ha (χωρίς συντελεστές βάρους) σε 25,937.07t/ha (ΔΕΗ) σε 5,834.78t/ha (καμπύλες παροχής-στερεοπαροχής). Η τροποποιημένη μορφή του ομοιώματος εφαρμόζεται εκ νέου στο σύνολο του δείγματος και στις δύο προαναφερθείσες χρονικές κλίμακες. Τα εξαγόμενα αποτελέσματα αντιπαραβάλλονται με τα αντίστοιχα αποτελέσματα του «μητρικού» ομοιώματος, προκειμένου να αξιολογηθεί η απόδοση του και να διαπιστωθεί εάν μπορεί να χρησιμοποιηθεί επιτυχώς σε υδρολογικές λεκάνες αντίστοιχων χαρακτηριστικών (ορεινές, μεσογειακού τύπου). Διαπιστώνεται πως το ομοίωμα έχει πολύ καλή συμπεριφορά σε κάποιες εκ των προαναφερθέντων λεκανών ενώ σε κάποιες άλλες όχι. Ειδικότερα η αρχική του μορφή υπερέχει σημαντικά έναντι της τροποποιημένης στις λεκάνες των π. Βενέτικου και γ. Πλάκα. Αντίθετα η τροποποιημένη μορφή επικρατεί σαφώς στις λεκάνες Κιοτέκι, γ. Σουλόπουλο και γ. Γκόγκο. Στις υπόλοιπες λεκάνες υπάρχει μια μικρή υπεροχή της αρχικής μορφής (περισσότερο ασαφής κατά την ανά έτος θεώρηση), χωρίς όμως να υπάρχει αισθητή διαφοροποίηση, η οποία να οδηγεί αβίαστα στην απόρριψη της μεθοδολογίας. Η ακανόνιστη συμπεριφορά αποδίδεται κυρίως στο σχετικά μικρό δείγμα υδρολογικών λεκανών που χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό των συντελεστών βάρους κάθε παράγοντα της μητρικής εξίσωσης, στα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά αυτών (υδρολογικό καθεστώς, κλιματικές συνθήκες, εδαφικός τύπος, μορφολογία, φυτοκάλυψη) καθώς επίσης και σε άλλους εξωγενείς παράγοντες όπως τα σφάλματα εφαρμογής του συνόλου των ομοιωμάτων στο συγκεκριμένο δείγμα, τα λάθη στις μετρήσεις πεδίου (ΔΕΗ/ μετρήσεις στερεοπαροχής), τα εγγενή σφάλματα της μεθοδολογίας καμπυλών παροχής-στερεοπαροχής. Συνολικά, παρά τα σημαντικά περιθώρια βελτίωσης που υπάρχουν, η πρώτη προσέγγιση που παρουσιάζεται στην παρούσα διδακτορική διατριβή κρίνεται ικανοποιητική και ελπιδοφόρα.

Soil erosion is a natural geological phenomenon that can be defined as the wearing away of the top soil layer, resulting from physical forces (e.g. rain, flowing water) or other activities (e.g. tillage). It involves three distinct actions – soil detachment, movement, deposition or/ and sediment discharge. It constitutes one of the most important contemporary worldwide environmental problems, causing numerous affects not only to the natural environment (e.g. soil degradation, removal of the fertile topsoil horizon and natural vegetation, desertification, sediment transport and distortion of the natural landscape) but also to the anthropogenic one as well (e.g. agricultural productivity regression, aggradation of reservoirs and reduction of their storage capacity, flooding due to watercourses aggradation). The need for accurate assessment and prediction of soil erosion and sediment transport is essential, due to the significant economic, environmental and social impacts it poses. All of the above led to the development of various simulation models, of different accuracy and complexity, in order to allow the accurate quantification of the phenomenon and the identification of areas susceptible to soil erosion, were protection measurements need to be taken. Erosion models, depending on the physical processes simulated, the equations used, the desired result and the accuracy aspired, are divided into empirical, stochastic and deterministic which can be either physically based or conceptual (or parametric). In sight of the above, the main objective of this study was the estimation of soil loss at mountainous Mediterranean type catchments, through the modification of the RUSLE model {evaluated as the most appropriate for implementation at the study area catchments, after a thorough qualitative (attributes and general characteristics) and quantitative (numerical results) assessment of their performance}. Study area included the catchments of Venetikos River, Kalamas River (divided into two consecutive sub-basins, namely Soulopoulo Bridge and Kioteki), Arachthos River (divided into four consecutive sub-basins, namely Plaka Bridge, Gogo Bridge, Tsimovo Bridge and Arta Bridge), Acheloos River (Avlaki dam sub-basin), with the aforementioned sub-basins being named after the homonym gauging stations located at their outlets and occupying the antecedent area. The methodology followed was comprised by the application of different empirical soil erosion models {USLE (Wischmeier & Smith, 1978), RUSLE (Renard et al., 1991), Gavrilovic model (EPM) (Gavrilovic, S., 1962; 1970; 1972), Koutsoyiannis-Tarla equation (1987), Syvitski equation (Syvitski et al., 2003), other empirical equations [Avendano Salas et al. (1997), Dendy and Bolton (1976), Lu et al. (2003), Webb and Griffiths (2001)], geomorphologic equation (Protagoras Research Program, 2006; Zarris et al., 2007)} to each of the aforementioned catchments. The PESERA model in a spreadsheet format [PESERA_VBA (Excel) MODEL] (Irvine and Kosmas, 2007) was also implemented at the Venetikos River catchment. Its poor performance prevented its further implementation at the other catchments. The models were chosen, taking under consideration a number of criteria (purpose of use, scientific validity, simulation processes, spatial analysis, temporal resolution, data requirements, accuracy, computational speed, ease of use, implementation cost, adaptability to different areas, needs and conditions), in accordance to the Greek occurring circumstances, where the necessary data are being characterized by limited availability, dispersal between different agencies and overseers, scarcity and often questionable quality. A GIS assisted approach was used, by which the spatial distribution of the individual soil erosion model factors was described, depicted in the form of digital maps, while the accuracy, reliability and computational speed of the application was enhanced. The models were initially implemented both annually and inter-annually (Venetikos River: 1/10/1965-30/9/1982, Kalamas River: 1/10/1987-30/9/2002, Arachthos River: 1/10/1965-30/9/1976, Axeloos River: 1/10/1965-30/9/1984) to all of the aforementioned catchments in order to be evaluated {qualitatively (as far as their specific characteristics and capabilities is concerned) and quantitatively (their exported numeric results were cross-evaluated to the basin’s “actual” sediment yield estimations, deriving from the sediment discharge measurements recorded by the Greek Power Public Company (PPC) at the outlet of each catchment, respectively)}, for selecting the most appropriate, corresponding best to the specific conditions. The prevalent one (RUSLE), taking under consideration its annual numeric results as long as the corresponding “actual” sediment yield ones, was properly modified (the individual factors constituting the models’ equation were assigned with a weighing coefficient according to their significance) through statistical procedures (Non-linear Regression). As far as the modification process is concerned, the sediment yield values estimated by the corresponding sediment discharge measurements (PPC) were initially considered as “actual”. Yet, their questionable reliability (non-systematic and often inadequate sediment discharge measurements, with inherent methodological shortcomings, mainly performed at the construction phase of a dam, only concerning the suspended load), the criticism received by several authors and the fact that such measurements are not available at the Kalamas River sub-basins, led to their replacement by the ones calculated by the representative suspended sediment discharge rating curve construction methods at the outlet of each basin, hence being considered as “actual”. All of the aforementioned models were anew cross-evaluated considering the new dataset, with the RUSLE remaining prevalent. The estimated error term Σ (SYsim-SYobs)2 was gradually reduced from 40,213.06t/ha (original model form, no weighing coefficients) to 25,937.07t/ha (weighing coefficients attributed considering the PPC results) to 5,834.78t/ha (weighing coefficients attributed considering the rating curve methods results). The modified equation was anew implemented to all catchments at both time scales. The results were compared to the ones attributed by the original equation, annually and inter-annually, in order to evaluate its performance and credibility as long as its potential applicability to similar basins (mountainous, Mediterranean type). The model’s performance can be characterized as irregular. Specifically, it performed exceptionally well at some basins (Kioteki, Soulopoulo Bridge, Gogo Bridge), while not so well at others (Venetikos River, Plaka Bridge). At the remaining basins there was a slight predominance of the original equation (more unclear annually), but there was no marked differentiation leading effortlessly to the rejection of the methodology. This irregular behavior was mainly attributed to the relatively small number of basins taken into account in order to determine the weighing coefficient of each factor of the original equation, as well as at their specific characteristics (hydrological regime, climate, soil types, morphology, soil cover) and other extrinsic elements {inevitable model implementation errors, field measurements errors (PPC), sediment discharge rating curve construction methods errors (mathematical equations) etc}. Overall, despite the considerable room for improvement, the first approach presented in this thesis is satisfactory and promising.