Μεθοδολογικό πλαίσιο εκτίμησης επιπτώσεων ξηρασίας στους υδατικούς πόρους και στη γεωργική παραγωγή για τον προληπτικό και επιχειρησιακό σχεδιασμό

Abstract

Drought is one of the major natural hazards, with significant impact on several sectors of the society, the economy and the environment. The consequences of drought are more severe in developing regions, where there is limited administrative and technical infrastructure for securing vulnerable systems and devising sound proactive and operational plans. The aim of this thesis is to contribute to the rational drought analysis for the assessment of drought effects on water resources and agricultural production. Emphasis is put on the data requirements and the structure of the proposed methodological framework, in order to be applicable in a wide range of regions, under different climatic conditions and for limited data availability. The basis of the research is the analysis and the characterisation of drought through the use of drought indices. Targeted modifications and enhancements of specific drought indices are proposed, taking also into account the role of climate change on drought characteristics. Further, the software DrinC (Drought Indices Calculator) is developed, including the standard and the proposed approaches of drought analysis, providing an integrated tool for the direct application of the methodology. The main parameter that is considered for the assessment of drought effects on water resources is the river runoff. For the investigation and simulation of runoff response to various climatic scenarios, the software Medbasin is developed, which includes two hydrological models (one on daily and one on monthly basis), along with several simulation tools. The drought effects are assessed through a series of actions, including the drought analysis, the runoff simulation under different climatic scenarios and the annual hydrological drought forecasting. Regarding the assessment of drought effects on agricultural production, emphasis is placed on the elements that determine the water requirements of the plant, using crop models and specific drought indices. The formulated approach is aiming, primarily, at assessing the effects of the phenomenon on specific crops and, additionally, at providing the means for the early estimation (1-3 months prior to harvest) of the anticipated damages, in order to take timely measures for mitigating the yield losses.

Το φαινόμενο της ξηρασίας αποτελεί έναν από τους σημαντικότερους φυσικούς κινδύνους, με επιπτώσεις σε πολλούς νευραλγικούς τομείς της κοινωνίας, της οικονομίας και του περιβάλλοντος. Οι συνέπειες της ξηρασίας είναι περισσότερο καταστροφικές σε αναπτυσσόμενες περιοχές, όπου οι διοικητικές και τεχνικές υποδομές για τη θωράκιση των συστημάτων, την εκπόνηση προληπτικών σχεδίων και την εφαρμογή επιχειρησιακών δράσεων, είναι περιορισμένες. Σκοπός της διατριβής είναι η συμβολή στην αποτελεσματικότερη ανάλυση του φαινομένου της ξηρασίας για την εκτίμηση των επιπτώσεων στους υδατικούς πόρους και στη γεωργική παραγωγή. Έμφαση δίνεται στις απαιτήσεις σε δεδομένα, καθώς και στη δομή του προτεινόμενου μεθοδολογικού πλαισίου, ώστε να είναι δυνατή η εφαρμογή του σε ευρύ φάσμα περιοχών, με διαφορετικές κλιματικές συνθήκες, αλλά και περιορισμένη διαθεσιμότητα δεδομένων. Βάση της έρευνας αποτελεί η ανάλυση και ο χαρακτηρισμός του φαινομένου της ξηρασίας για κάθε εξεταζόμενη περιοχή, μέσω της εφαρμογής κατάλληλων δεικτών ξηρασίας. Για την επίτευξη των στόχων της έρευνας, προτείνονται στοχευμένες τροποποιήσεις και βελτιώσεις σε επιλεγμένους δείκτες, λαμβάνοντας υπόψη και την επίδραση της κλιματικής αλλαγής στο φαινόμενο της ξηρασίας. Επίσης, αναπτύσσεται το λογισμικό DrinC (Drought Indices Calculator) στο οποίο ενσωματώνονται οι κλασικές και οι προτεινόμενες προσεγγίσεις ανάλυσης της ξηρασίας, προκειμένου να υπάρχει δυνατότητα ολοκληρωμένης και άμεσης εφαρμογής του μεθοδολογικού πλαισίου. Η εκτίμηση των επιπτώσεων της ξηρασίας στους υδατικούς πόρους εστιάζει στο επιφανειακό υδατικό δυναμικό, εξετάζοντας ως κύρια παράμετρο την απορροή ποταμού. Για την μοντελοποίηση και διερεύνηση της απόκρισης της απορροής σε διάφορα κλιματικά σενάρια, αναπτύσσεται το λογισμικό Medbasin, στο οποίο περιλαμβάνονται δύο υδρολογικά μοντέλα (ημερήσιας και μηνιαίας βάσης, αντίστοιχα), καθώς και σειρά εργαλείων προσομοίωσης. Το πλαίσιο εκτίμησης των επιπτώσεων της ξηρασίας αποτελείται από σειρά ενεργειών που περιλαμβάνουν την ανάλυση της ξηρασίας, την προσομοίωση της απόκρισης της απορροής υπό διαφορετικές συνθήκες και την πρόβλεψη της ετήσιας υδρολογικής ξηρασίας. Όσον αφορά στην εκτίμηση των επιπτώσεων της ξηρασίας στη γεωργική παραγωγή, δίνεται έμφαση στα στοιχεία που καθορίζουν τις υδατικές ανάγκες των φυτών, αξιοποιώντας μοντέλα καλλιεργειών και συγκεκριμένους δείκτες ξηρασίας. Η προσέγγιση που διαμορφώνεται στοχεύει αφενός στον προσδιορισμό των επιπτώσεων του φαινομένου σε συγκεκριμένες καλλιέργειες, αφετέρου στην έγκαιρη (1-3 μήνες προ της συγκομιδής) εκτίμηση των αναμενόμενων προβλημάτων, προκειμένου να ληφθούν τα απαραίτητα μέτρα αντιμετώπισης.