Μοντέλο εκτίμησης εδαφικής απώλειας

Παγκόσμια Εξίσωση Εδαφικής Απώλειας

Η διάβρωση, εν γένει, εξαρτάται από μια σειρά παραγόντων που αναδεικνύονται από τους Renard and Foster (1983) στη βάση της ακόλουθης εξίσωσης:

E = f (C, S, T, SS, M)                                         

όπου,

Ε: Διάβρωση

f: συνάρτηση του (…):

C: Κλίμα

S: Ιδιότητες του Εδάφους

T: Τοπογραφία

SS: Συνθήκες της Εδαφικής Επιφάνειας

M: Ανθρωπογενείς Δραστηριότητες

 

Η εδαφική απώλεια, ως αναπόσπαστο τμήμα της υδατικής διάβρωσης, υπολογίζεται, σύμφωνα με τους Renard et al. (1997) ως εξής:

EA = R x K x LS x C x P                                     

όπου,

EA: μέση ετήσια εδαφική απώλεια (annual average soil loss) (t ha-1 year-1)

R: παράγων διαβρωτικότητας της βροχόπτωσης (rainfall erosivity factor) (MJ mm ha-1 h-1 year-1)

K: παράγων διαβρωσιμότητα εδάφους (soil erodibility factor) (t ha h ha-1 year-1 MJ-1 mm-1)

LS: τοπογραφικός παράγων/ παράγων μήκους πλαγιάς και (έντασης) κλίσης πλαγιάς (topographic factor/ slope length and slope steepness factor) (αδιάστατο)

C: παράγων διαχείρισης της (εδαφικής) κάλυψης (cover-management factor) (αδιάστατο)

P: παράγων υποστηρικτικών πρακτικών (support practices factor) (αδιάστατο).

 

Η παραπάνω εξίσωση, η οποία αναφέρεται στη διεθνή βιβλιογραφία ως Αναθεωρημένη Παγκόσμια Εξίσωση Εδαφικής Απώλειας, συνιστά τη μαθηματική βάση στην οποία στηρίζεται η οικογένεια των μοντέλων USLE και, κυρίως, RUSLE, και χρησιμεύει στην εκτίμηση της απώλειας του εδάφους λόγω της υδατικής διάβρωσης σε όρους μάζας απομακρυνόμενου εδαφικού υλικού ανά μονάδα επιφάνειας και στη μονάδα του χρόνου (t ha-1 year-1). Ωστόσο, η «φυσική σημασία» των αριθμητικών αποτελεσμάτων προκύπτει από τη σύγκρισή τους με το φυσικό μέγεθος της Ανοχής Εδαφικής Απώλειας (ΑΕΑ). Σε γενικές γραμμές, ο όρος ΑΕΑ αφορά στο μέγιστο ρυθμό διάβρωσης και απώλειας εδαφικού υλικού ο οποίος μπορεί να σημειωθεί χωρίς να αποτρέπει τη διατήρηση της παραγωγικότητας των καλλιεργειών σε όρους οικονομικής βιωσιμότητας.

 

Εφαρμογές του μοντέλου RUSLE: Μοντελοποίηση/ Προσομοίωση των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής 

Για τις ανάγκες διερεύνησης της επίδρασης της κλιματικής αλλαγής στην εδαφική διάβρωση, και συγκεκριμένα στην απώλεια του εδαφικού καλύμματος στην περιοχή του Δήμου Μετσόβου, βασική συλλογιστική συνιστά η σύνδεση των παραγόντων που υπεισέρχονται στο μοντέλο RUSLE (R, K, LS, C, P) με τους παράγοντες στους οποίους επενεργεί η κλιματική αλλαγή. Με άλλα λόγια, η ανάπτυξη του μοντέλου επίδρασης της κλιματικής αλλαγής στην εδαφική διάβρωση (“Clima-RUSLE”) αφορά κύρια στην προσαρμογή και παραμετροποίηση των παραγόντων-δεδομένων εισόδου τα οποία τροποποιούνται από την κλιματική αλλαγή. Συνοπτικά, δυο είναι τα κύρια ζητήματα που αναδεικνύονται:

1. Ανάδειξη όλων των συνδεόμενων παραγόντων και του συγκεκριμένου τρόπου σύνδεσής τους, καθώς και υπαγωγή τους στο νέο μοντέλο/ στη νέα προσομοίωση (“Clima-RUSLE”).
2. Αναγωγή (downscaling) των δεδομένων εισόδου που αφορούν σε αυτούς τους παράγοντες προκειμένου να προσομοιωθούν με ακρίβεια η διαδικασία και οι συνέπειες της εδαφικής απώλειας λόγω διάβρωσης, και τα αποτελέσματα του μοντέλου/ της προσομοίωσης να αναφέρονται σε πραγματικά δεδομένα και να έχουν «απήχηση» σε πραγματικές συνθήκες.

Αναφορικά με το σημείο (1), η κλιματική αλλαγή επενεργεί με άμεσο και έμμεσο τρόπο στην επιτάχυνση ή επιδείνωση της υδατικής διάβρωσης. Ο άμεσος τρόπος αφορά στην μεταβολή των βροχοπτώσεων (και, γενικότερα, των κατακρημνισμάτων)· ο έμμεσος τρόπος αφορά στις μεταβολές στη φυτο-κάλυψη (βλάστηση) και στις καλλιεργητικές-υποστηρικτικές πρακτικές οι οποίες ανακύπτουν λόγω της ανόδου της θερμοκρασίας, αλλά και ως (έμμεσες) αποκρίσεις στις μεταβολές των κατακρημνισμάτων.  Έτσι, σε αδρές γραμμές, οι παράγοντες του μοντέλου RUSLE που τροποποιούνται από την επενέργεια της κλιματικής αλλαγής είναι:

• ο παράγων διαβρωτικότητας βροχόπτωσης (R), o οποίoς επηρεάζεται από την τροποποίηση της ποσότητας και της χωρο-χρονικής κατανομής της βροχόπτωσης: ουσιαστικά, εξαρτάται από την κινητική ενέργεια καταιγίδων και τη μέγιστη ένταση τους σε επίπεδο μισαώρου.
• ο παράγων (διαχείρισης) εδαφικής κάλυψης (C), o οποίος επηρεάζεται  βασικά από τη μεταβολή της (φυτο-)κάλυψης και της εδαφικής υγρασίας στη βάση της ανόδου της θερμοκρασίας: ουσιαστικά, εμπλέκει, μεταβολές που αφορούν εκτός από τη φυτο-κάλυψη, στη διαχείριση των χρήσεων γης, στο είδος των καλλιεργειών, των πρακτικών άροσης κ.λπ. 
• ο παράγων υποστηρικτικών και καλλιεργητικών πρακτικών (P), o οποίος εξαρτάται από τις αποκρίσεις στις μεταβολές των βροχοπτώσεων: αυτές οι αποκρίσεις λαμβάνουν χώρα στη βάση της τροποποίησης των μοτίβων επιφανειακής απορροής και συνίστανται σε πρακτικές άροσης και καλλιέργειας σε αναβαθμίδες (terracing) και κατά τις ισοϋψείς καμπύλες (contour farming), στην τοποθέτηση λίθινων τοιχίων (stone walls) και στην αξιοποίηση περιθωρίων χλόης (grass margins).  

Αναφορικά με το σημείο (2), τα δεδομένα εισόδου (κλιματικά δεδομένα, δεδομένα καλύψεων γης, δεδομένα καλλιεργητικών και υποστηρικτικών πρακτικών) θα πρέπει να υποστούν κάποιους μετασχηματισμούς προκειμένου να προσαρμοστούν στις «απαιτήσεις» της περιοχής μελέτης.

 

Ανάπτυξη μοντέλου: Γενική επισκόπηση και συλλογιστική  

Δεδομένου ότι οι διαδικασίες διάβρωσης σε ορεινές περιοχές σχετίζονται με μεγάλες ποσότητες απώλειών εδάφους, βασικός στόχος αποτελεί η ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας για την εκτίμηση αυτών των απωλειών στην περιοχή του Δήμου Μετσόβου, με βάση το μοντέλο RUSLE. Αυτή η μεθοδολογία αξιοποιεί δεδομένα που προέρχονται από κλιματικά μοντέλα, από πολυφασματικές εικόνες (δορυφορικές λήψεις, λήψεις από UAVs – Unmanned Aerial Vehicles) και από έτοιμα ψηφιακά χαρτογραφικά προϊόντα καλύψεων-χρήσεων γης, κ.λπ., εφαρμόζοντας γεωχωρικές αναλύσεις. Η εισαγωγή κλιματικών δεδομένων που αναφέρονται σε μελλοντικές χρονικές στιγμές και σε βελτιωμένα γεωχωρικά δεδομένα κάλυψης γης, μαζί με την ενσωμάτωσή τους σε μοντέλα διάβρωσης είναι νέες συνεισφορές που οδηγούν σε βασισμένες-στην-κλιματική-αλλαγή και σε πιο ακριβείς (fine-tuned) εκτιμήσεις απώλειας εδάφους.

Στο προτεινόμενο, «προσαρμοσμένο» μοντέλο εδαφικής απώλειας, ο παράγων R παραμετροποιείται και υπολογίζεται με βάση τη μελλοντική ένταση/διαβρωτικότητα της βροχόπτωσης αξιοποιώντας κλιματικά μοντέλα και διαδικασίες αναγωγής σε τοπική κλίμακα∙ ο παράγοντας K αποκτάται από σχετικές βάσεις δεδομένων∙ οι δε παράγοντες C, LS και P προκύπτουν από την επεξεργασία και ανάλυση υφιστάμενων δορυφορικών εικόνων, ΨΜΕ (Ψηφιακών Μοντέλων Εδάφους), και ταξινομητικών σχημάτων χρήσης/κάλυψης εδάφους (CORINE Land Cover (CLC)), αντίστοιχα (Διάγραμμα 1)∙ εναλλακτικά, οι παράγοντες C, LS και P προκύπτουν στη βάση της επεξεργασίας και ανάλυσης λήψεων (δηλαδή πολυφασματικών εικόνων) από UAVs (Διάγραμμα 2).

 

Διάγραμμα 1. Δεδομένα εισόδου-εξόδου για το προτεινόμενο, «προσαρμοσμένο» μοντέλο εδαφικής απώλειας με βάση την κλιματική αλλαγή. Ο παράγων R επηρεάζεται από τα δεδομένα της κλιματικής αλλαγής, τα οποία προκύπτουν από κλιματικά μοντέλα και από διαδικασίες αναγωγής σε τοπική κλίμακα, ενώ οι παράγοντες C-, LS- και P προκύπτουν από την επεξεργασία και ανάλυση υφιστάμενων δορυφορικών εικόνων, ΨΜΕ, και ταξινομητικών σχημάτων χρήσης/κάλυψης εδάφους (CLCL), αντίστοιχα (Πηγή: Panagos et al., 2015 και ίδια επεξεργασία)

 

Διάγραμμα 2. Δεδομένα εισόδου-εξόδου για το προτεινόμενο, «προσαρμοσμένο» μοντέλο εδαφικής απώλειας με βάση την κλιματική αλλαγή και την αξιοποίηση λήψεων UAV. Ο παράγων R επηρεάζεται από τα δεδομένα της κλιματικής αλλαγής, τα οποία προκύπτουν από κλιματικά μοντέλα και από διαδικασίες αναγωγής σε τοπική κλίμακα, ενώ οι παράγοντες C-, LS- και P λαμβάνουν βελτιωμένα δεδομένα εισροής από επεξεργασμένες εικόνες UAV (Πηγή: Panagos et al., 2015 και ίδια επεξεργασία)

 

Η μεθοδολογία που χρησιμοποιείται αφορά στον υπολογισμό καθενός από τους συντελεστές της εξίσωσης RUSLE και στη συνολική εφαρμογή του μοντέλου RUSLE, χρησιμοποιώντας γεωχωρικές αναλύσεις που εφαρμόζονται σε κανονικοποιημένα-πλεγματικά δεδομένα (raster geospatial data), σε περιβάλλον GIS. Τα δεδομένα για τον υπολογισμό του κάθε παράγοντα του μοντέλου συγκεντρώθηκαν και υπέστησαν επεξεργασία προκειμένου να αποτελέσουν κατάλληλα ενδιάμεσα χαρτογραφικά επίπεδα/ προϊόντα. Ο υπολογισμός της μέσης ετήσιας απώλειας εδάφους (EA), του προσαρμοσμένου μοντέλου RUSLE για την περιοχή του Δήμου Μετσόβου πραγματοποιήθηκε επίσης σε περιβάλλον GIS.

 

Συλλογή Δεδομένων

Κλιματικά Δεδομένα

Για την περιοχή μελέτης, τα δεδομένα της βροχόπτωσης για την περίοδο 1961-2000 (ιστορικά κλιματικά δεδομένα) και την περίοδο 2011-2050 (μελλοντικά κλιματικά δεδομένα) ελήφθησαν από τη βάση δεδομένων EURO-CORDEX, με τη μορφή μηνιαίων χρονολογικών σειρών. Τα δεδομένα είναι ανηγμένες σε «μικρότερη» κλίμακα προσομοιώσεις του περιφερειακού μοντέλου RACMOE22 που προκύπτουν από το παγκόσμιο μοντέλο EC-EARTH για δύο σενάρια RCP, συγκεκριμένα για τα σενάρια RCP4.5 και RCP8.5, με χωρική ανάλυση 0,11ο. Τα δεδομένα τόσο της ιστορικής όσο και της μελλοντικής περιόδου ανήχθησαν σε επίπεδο σημειακών εμφανίσεων χρησιμοποιώντας τη μέθοδο του Εγγύτερου Γείτονα (Nearest Neighbor). Τα ανηγμένα κλιματικά δεδομένα διορθώθηκαν (bias-correction) χρησιμοποιώντας ημερήσια δεδομένα βροχόπτωσης για την περίοδο 1961-1990 από τον υδρομετεωρολογικό σταθμό του ελληνικού Υπουργείου Περιβάλλοντος στο Μέτσοβο.

Εδαφικά Δεδομένα

Τα γεωχωρικά δεδομένα του εδάφους για τη γεωγραφική αναπαράσταση του παράγοντα K αποκτήθηκαν από το Ευρωπαϊκό Κέντρο Δεδομένων Εδάφους (EUROPEAN SOIL DATA CENTRE (ESDAC).

Δορυφορικές Απεικονίσεις

Δεδομένα εισόδου για τον υπολογισμό του παράγοντα C αποτέλεσαν τα φασματικά κανάλια 4 και 5 του δορυφόρου Landsat 8, τα οποία ανακτήθηκαν από τις διαδικτυακές υπηρεσίες της USGS (U.S. Geological Survey)[1].

Τοπογραφικά Δεδομένα – ΨΜΕ

Ο τοπογραφικός παράγων LS υπολογίστηκε με βάση το Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους, το οποίο υπάρχει στη γεωχωρική βάση της Υπηρεσίας Παρακολούθησης της Γης Copernicus (Copernicus Land Monitoring Service - CLMS), του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Περιβάλλοντος (European Environment Agency – EEA) [2].

Δεδομένα Χρήσεων/Καλύψεων Εδάφους και Δεδομένα για τις Υποστηρικτικές Πρακτικές

Τα δεδομένα χρήσεων/καλύψεων εδάφους προέκυψαν κατευθείαν από τη γεωχωρική βάση του Copernicus Land Monitoring Service[3]. Τα εν λόγω δεδομένα αξιοποιούνται για τη δυνητική μελλοντική ‘διαφοροποίηση’ του παράγοντα P, καθώς οι υφιστάμενες καλύψεις/χρήσεις εδάφους προδιαγράφουν τις δυνάμει υποστηρικτικές πρακτικές (προς τον μετριασμό της εδαφικής απώλειας).

 

Συνολική υλοποίηση μοντέλου

Το μοντέλο υλοποιήθηκε σε λογισμικό GIS (ArcMap ESRI®) και, συγκεκριμένα, αξιοποιώντας το περιβάλλον διεπαφής του Model Builder του ArcMap. Η όλη διαδικασία μοντελοποιήθηκε, συστήνοντας μια αλυσίδα ενεργειών και λειτουργιών (εργαλείων – tools), όπου υπολογίστηκαν  (ή προσδιορίστηκαν) όλα τα ενδιάμεσα γεωχωρικά (πλεγματικά) επίπεδα (Διάγραμμα 3). Ειδικά για την περίπτωση των πολλαπλών σεναρίων εξέλιξης του παράγοντα R, αξιοποιήθηκαν οι δυνατότητες επαναληπτικής εκτέλεσης του μοντέλου για πλεγματικά δεδομένα (Iterate Rasters), λαμβάνοντας με αυτοματοποιμένο τρόπο τα τελικά παραγόμενα, ενώ εκτελέστηκε και άλλη μια φορά το εν λόγω μοντέλο για να συνδυαστεί το επίπεδο P των δυνητικά υιοθετούμενων υποστηρικτικών πρακτικών για το σενάριο των έντονων βροχοπτώσεων της προσεχούς περιόδου αναφοράς (2030-2040).   

 

Διάγραμμα 3. Μοντελοποίηση της αλληλουχίας της υλοποίησης των λειτουργιών-εργαλείων. Ο παράγων R εισέρχεται στο μοντέλο στη βάση της επαναληπτικής εκτέλεσης για πλεγματικά δεδομένα (Iterate Rasters) και της δημιουργίας τη μεταβλητής ‘Name’.

 

Περισσότερες πληροφορίες για την υλοποίηση του μοντέλου και τα αποτελέσματά του είναι διαθέσιμες στο Παραδοτέο ΠΕ4 (Π4.1 και Π4.2) του έργου.

---