Ανάπτυξη, εφαρμογή και αξιολόγηση δεικτών επικινδυνότητας ξηρασίας και ερημοποίησης για την ολοκληρωμένη διαχείριση των υδατικών πόρων

Abstract

The present work refers to the implementation of the integrated water resources management methodology for the development of a tool in the form of an index for the recognition of droughts and pertinent vulnerable areas. Such an attempt is further expanded in an effort to produce the connection of vulnerability to drought with that to desertification. Greece is sensitive to drought phenomena (random and periodical). This is a consequence of predominant spatial and temporal distribution of precipitation in the area, expressed with the existing climatic succession of wet (October-March) and dry periods (April-September). Specifically, lower precipitation values during the wet periods could cause serious issues in the water resources availability. Regular observation and processing of meteorological data as well as concurrent application of contingency planning are necessary in order to deal with such issues. Early recognition and possible prevention could be achieved through the estimation of simple and composite drought indices of an area. In this context, the development of a composite index was presented, that included six indicators, namely categorized SPI (cSPI6 and cSPI12), Demand, Supply, Impacts and Infrastructures. The Standardized Drought Vulnerability Index is attempting to relate with all the aspects of drought (meteorological, agricultural, hydrological and socio-economic) and provide an estimation procedure. Thereafter, the relation between the indicators was examined and weights with statistical and empirical methods were developed. The composite index was implemented in various conditions (existing, real and artificial generated data for scenarios testing) and in different areas (Greece and South Eastern Europe with data from 324 meteorological stations for a period of more than 30 years). The initial hypothesis of equal weighting and the method of principal components expressed the vulnerability estimation more effectively. Furthermore, it was analyzed whether there was a correlation between drought and desertification vulnerability. To associate these attempts, a similar classification of these composite indices into three classes (low, medium and high) was necessary. Based on this assumption a relationship between drought and desertification vulnerability was surfaced. Finally, the indicators of both procedures were analyzed and a composite index was created, which shows the water resources and soil degradation of a region. The indicators that have occurred in the final equation are Αridity, Water Demand, Drought Impacts, Drought Resistance, Water Resources Infrastructure, Land Use Intensity, Parent Material, Rainfall, Slope and Soil Texture. All in all, it would be appropriate for further research to implement this methodology in other regions worldwide.

Η παρούσα διδακτορική εργασία έχει ως τομέα μελέτης την Ολοκληρωμένη Διαχείριση των Υδατικών Πόρων (ΟΔΥΠ), βάσει των αρχών της οποίας δημιουργήθηκε ένα εργαλείο (δείκτης) για την αναγνώριση των ξηρασιών και των τρωτών περιοχών, καθώς και τη σύνδεση της τρωτότητας στηv ξηρασία και την ερημοποίηση. Η Ελλάδα παρουσιάζει συχνά φαινόμενα ξηρασίας,τυχαία και περιοδικά. Αυτό οφείλεται στη χωροχρονική κατανομή των κατακρημνισμάτων, δηλαδή στη διαδοχή των υγρών (Οκτώβριος-Μάρτιος) και των ξηρών περιόδων (Απρίλιος-Σεπτέμβριος). Αν δεν σημειωθούν βροχοπτώσεις κατά τη διάρκεια των υγρών περιόδων τότε ενδέχεται να δημιουργηθούν προβλήματα στη διαθεσιμότητα των υδατικών πόρων κατά τη διάρκεια των ξηρών περιόδων. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος απαιτείται τακτική παρατήρηση και επεξεργασία των μετεωρολογικών δεδομένων, αλλά και ταυτόχρονη εφαρμογή του προληπτικού σχεδιασμού. Ένας τρόπος πρόληψης είναι ο υπολογισμός απλών και σύνθετων δεικτών ξηρασίας μιας περιοχής ή μιας χώρας για την έγκαιρη αναγνώριση του σχετικού προβλήματος. Σε αυτό το πλαίσιο, παρουσιάζεται η ανάπτυξη και η δημιουργία ενός σύνθετου δείκτη που αποτελείται από έξι υπο-δείκτες και συγκεκριμένα από τους υπο-δείκτες κατηγοριοποιημένα SPI6 (cSPI6 και cSPI12), Ζήτηση (Demand), Εφοδιασμός (Supply), Επιπτώσεις (Impacts) και Υποδομές στους Υδατικούς πόρους (Infrastructure), έτσι οι υπο-δείκτες του Standardized Drought Vulnerability Index (SDVI) σχετίζονται με όλες τις πτυχές μιας ξηρασίας (μετεωρολογική, αγροτική, υδρολογική και κοινωνικοοικονομική). Συνυπολογίζοντας όλα τα παραπάνω, εκτιμάται η τρωτότητα σε ένα σημείο ή μια περιοχή. Έπειτα, εξετάστηκε η σχέση των υπο-δεικτών και αναπτύχθηκαν συντελεστές βαρύτητας με στατιστικές και εμπειρικές μεθόδους. Ο σύνθετος δείκτης εφαρμόστηκες σε διάφορες συνθήκες (σενάρια, πραγματικές και υποθετικές τιμές) και διαφορετικές περιοχές (Ελλάδα και Νοτιοανατολική Ευρώπη με τη χρήση δεδομένων από 324 μετεωρολογικούς σταθμούς και περίοδο τουλάχιστον 30 ετών). Η αρχική υπόθεση του SDVI με ίδια βάρη και η μέθοδος των κύριων συνιστωσών δείχνουν ότι προσεγγίζουν καλύτερα την τρωτότητα. Στην συνέχεια, εξετάζεται εάν υπάρχει σύνδεση των δύο διαδικασιών τρωτότητας στην ξηρασία και τρωτότητας στην ερημοποίηση. Για τη συσχέτιση αυτή χρειάστηκε να γίνει όμοια κατηγοριοποίηση και των σύνθετων δεικτών σε 3 κλάσεις (χαμηλή, μέτρια και υψηλή). Με βάση αυτή την παραδοχή, εμφανίστηκε μία σχέση μεταξύ τους, της οποίας η εφαρμογή θα ήταν δόκιμο να εξεταστεί και σε άλλες περιοχές. Τέλος, αναλύθηκαν οι δείκτες και των δύο διαδικασιών και δημιουργήθηκε ένας σύνθετος δείκτης που εμφανίζει συνδυαστικά την υδατική και εδαφική υποβάθμιση μιας περιοχής έχοντας, επίσης, τη δυνατότητα να τις εμφανίσει και ξεχωριστά. Οι δείκτες που περιλαμβάνονται στην τελική εξίσωση είναι αυτοί της Ξηρότητας (Aridity), της Ζήτησης (Drought Demand), των Επιπτώσεων από την ξηρασία (Drought Impacts), της Αντοχής στην ξηρασία (Drought Resistance), των Υποδομών στους υδατικούς πόρους (Infrastructure), της Έντασης Χρήσης Γης (Land use intensity), του Μητρικού Υλικού (Parent Material), της Φυτοκάλυψης (Plant Cover), των Βροχοπτώσεων (Rainfall), της Κλίσης (Slope) και της Σύστασης του Εδάφους (Soil Texture).