Χωρική ανάλυση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς και της ενδογενούς τρωτότητας σε φαινόμενα απορροής-κατείσδυσης με χρήση μαθηματικών μοντέλων και GIS

Abstract

The subject of the doctoral thesis is the spatial analysis of reference evapotranspiration and the spatial analysis of intrinsic vulnerability to runoff-percolation phenomena using mathematical models and GIS. The term "intrinsic" is defined using reference crop (grass) in any location of a study area with the aim of removing the effects of actual land use. This approach is proposed because it offers: a) a more objective comparison of the water balance components between different regions, and b) a more objective assessment of the effects of climate, soil and topographic characteristics as regulating factors of runoff-percolation losses and as factors of water consumption through evapotranspiration. The analysis of the intrinsic water balance components is performed based on three theoretical approaches, which are: a) the non-distributed intrinsic hydroclimatic approach, b) the non-distributed intrinsic soil-hydroclimatic approach and c) the distributed intrinsic soil-hydroclimatic approach. The three approaches differ both in data requirements and in their ability to describe the physical problem.The analysis of the intrinsic water balance components according to the above approaches is mainly based on the accurate estimation of the reference/potential evapotranspiration ETo, which was analyzed in combination with rainfall at national scale. The analysis was performed using free monthly climate data of 1950-2000 period in raster form and included: a) the estimation of the mean monthly ETo values using three methods (ASCE-standardized Penman-Monteith for low reference crop, Priestley-Taylor and Hargreaves-Samani, b) spatial error analysis and spatial reassessment of the mean monthly empirical coefficients in raster form of the Priestley-Taylor and Hargreaves-Samani methods using the ASCE-standardized Penman-Monteith method as benchmark method, c) the modeling of the above empirical coefficients using generalized linear regression models, d) the use of geostatistical methods (multiple correlation analysis, principal component analysis, cluster analysis) for the analysis of the spatial and monthly-seasonal variability of ETo and rainfall. The data and the results of the previous analysis were further used for the assessment of four climatic indices (S, D, UNEP, Thornthwaite) at national level in raster form. These indices do not consider topographic-soil data and inter-area interactions, and for this reason they were proposed as tools to support the 1st approach of the non-distributed intrinsic hydroclimatic vulnerability to percolation-runoff losses and the respective vulnerability to cover evapotranspiration requirements. For the 2nd approach (the distributed intrinsic soil-hydroclimatic approach) the method of LOSW indices was used, which assess separately the percolation, surface runoff and actual evapotranspiration of a grassland surface considering the climate, and the slope and hydraulic characteristics of its soil. This approach introduces the local effect of topography and soil without considering interactions between neighboring areas. The analysis in this case was also carried out at national level and the actual evapotranspiration of the LOSW method was compared with other three methods of actual evapotranspiration (Ol'Dekop, Coutagne and Turk) that do not take into account topographic-soil data. For the 3rd approach (the distributed intrinsic soil-hydroclimatic approach), the distributed at sub-basin scale, hydrological model Arc-SWAT was used. The model was calibrated with the SWAT-CUP software, which uses SUFI-2 algorithm, for the Almopeos watershed using measured runoff data for the 1985-1994 period. After the calibration, actual land uses were replaced with grass in order to reassess the intrinsic water balance components. All indices of the previous approaches were also calculated for each sub-basin in order to highlight the differences of their results in relation to the results of Arc-SWAT. The results of the analyses revealed a) significant similarities and differences between the three approaches, which can provide answers to different types of questions raised by decision-making systems, and b) significant methodological limitations of the approaches, which are described extensively in the Discussion section with the aim to address them in future research.

Αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής είναι η χωρική ανάλυση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς και της ενδογενούς τρωτότητας σε φαινόμενα απορροής-κατείσδυσης με χρήση μαθηματικών μοντέλων και GIS. Ο όρος “ενδογενής” καθορίζεται θεωρώντας ότι η χρήση γης σε οποιαδήποτε θέση μιας μελετώμενης περιοχής είναι η καλλιέργεια αναφοράς (γρασίδι) με στόχο την αφαίρεση των επιδράσεων των πραγματικών χρήσεων γης. Η συγκεκριμένη προσέγγιση προτείνεται διότι προσφέρει τη δυνατότητα: α) αντικειμενικότερης σύγκρισης των βασικών συνιστωσών του υδατικού ισοζυγίου μεταξύ διαφορετικών περιοχών και β) αντικειμενικότερης αξιολόγησης της επίδρασης των χαρακτηριστικών του κλίματος, του εδάφους και της τοπογραφίας ως γενεσιουργά αίτια απορροής-κατείσδυσης και ως παράγοντες επίδρασης κατανάλωσης νερού μέσω εξατμισοδιαπνοής. Η ανάλυση των ενδογενών συνιστωσών του υδατικού ισοζυγίου γίνεται με τρεις θεωρητικές προσεγγίσεις, οι οποίες είναι: α) η μη κατανεμημένη ενδογενής υδροκλιματική προσέγγιση, β) η μη κατανεμημένη ενδογενής εδαφο-υδροκλιματική προσέγγιση και γ) η κατανεμημένη ενδογενής εδαφο-υδροκλιματική προσέγγιση. Οι τρεις προσεγγίσεις διαφέρουν τόσο ως προς τις απαιτήσεις σε δεδομένα όσο και ως προς την ικανότητά τους να περιγράψουν το φυσικό πρόβλημα. Η ανάλυση των ενδογενών συνιστωσών του υδατικού ισοζυγίου με βάση τις παραπάνω προσεγγίσεις βασίζεται κατά κύριο λόγο στη σωστή εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς ΕΤο, η οποία αναλύθηκε σε εθνικό επίπεδο σε συνδυασμό με τη βροχόπτωση. Η ανάλυση έγινε με χρήση ελεύθερων γεωβάσεων μέσων μηνιαίων κλιματικών δεδομένων της περιόδου 1950-2000 υπό μορφή κανάβων και περιέλαβε: α) την εκτίμηση των μέσων μηνιαίων τιμών της ΕΤο με τρεις μεθόδους (ASCE-standardized Penman-Monteith για χαμηλή καλλιέργεια αναφοράς, Priestley-Taylor και Hargreaves-Samani), β) την χωρική ανάλυση σφάλματος και τον χωρικό επαναπροσδιορισμό των μέσων μηνιαίων εμπειρικών συντελεστών των μεθόδων Priestley-Taylor και Hargreaves-Samani με βάση τη μέθοδο ASCE-standardized Penman-Monteith υπό μορφή κανάβων, γ) τη μοντελοποίηση των παραπάνω εμπειρικών συντελεστών με χρήση γενικευμένων γραμμικών μοντέλων, δ) τη χρήση γεωστατιστικών μεθόδων (ανάλυση πολλαπλής συσχέτισης, ανάλυση κύριων συνιστωσών, ανάλυση συστάδων) για την ανάλυση της χωρικής και μηνιαίας εποχιακής μεταβλητότητας της ΕΤο και της βροχόπτωσης. Με βάση τα δεδομένα και αποτελέσματα της παραπάνω ανάλυσης δημιουργήθηκαν οι προϋποθέσεις εκτίμησης τεσσάρων κλιματικών δεικτών (S, D, UNEP, Thornthwaite) σε εθνικό επίπεδο υπό μορφή κανάβων. Οι συγκεκριμένοι δείκτες δεν λαμβάνουν υπόψη τοπογραφικά-εδαφολογικά δεδομένα και τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ περιοχών και για το λόγο αυτό προτάθηκαν ως εργαλεία υποστήριξης της 1ης προσέγγισης περιγράφοντας τη μη κατανεμημένη ενδογενή υδροκλιματική τρωτότητα απωλειών νερού με κατείσδυση-απορροή και την αντίστοιχη τρωτότητα κάλυψης της εξατμισοδιαπνοής. Για τη 2η προσέγγιση (μη κατανεμημένη ενδογενής εδαφο-υδροκλιματική προσέγγιση) χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος των δεικτών LOSW, οι οποίοι εκτιμούν ξεχωριστά την κατείσδυση, την επιφανειακή απορροή και την πραγματική εξατμισοδιαπνοή μιας επιφάνειας γρασιδιού λαμβάνοντας υπόψη το κλίμα, την κλίση και τα υδραυλικά χαρακτηριστικά του εδάφους. Η συγκεκριμένη προσέγγιση εισάγει την τοπική επίδραση της τοπογραφίας και του εδάφους χωρίς όμως να λαμβάνει υπόψη τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ γειτονικών περιοχών. Η ανάλυση και σε αυτή την περίπτωση έγινε σε εθνικό επίπεδο ενώ η περίπτωση της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής της μεθόδου LOSW συγκρίθηκε και με άλλες τρεις μεθόδους πραγματικής εξατμισοδιαπνοής (Ol’Dekop, Coutagne και Turk), οι οποίες δεν λαμβάνουν υπόψη τοπογραφικά-εδαφολογικά δεδομένα.Για την 3η προσέγγιση (κατανεμημένη ενδογενής εδαφο-υδροκλιματική προσέγγιση) χρησιμοποιήθηκε το κατανεμημένο σε επίπεδο υπολεκάνης υδρολογικό μοντέλο Arc-SWAT. Το μοντέλο ρυθμίστηκε με το λογισμικό SWAT-CUP, το οποίο περιλαμβάνει τον αλγόριθμο SUFI-2, για τη λεκάνη του ποταμού Αλμωπαίου χρησιμοποιώντας μετρημένες απορροές της περιόδου 1985-1994. Μετά τη ρύθμιση, οι πραγματικές χρήσεις γης αντικαταστάθηκαν με γρασίδι με στόχο την επανεκτίμηση των ενδογενών συνιστωσών του υδατικού ισοζυγίου. Για κάθε υπολεκάνη υπολογίστηκαν επίσης και όλοι οι δείκτες των προηγούμενων προσεγγίσεων με στόχο την ανάδειξη των διαφορών τους σε σχέση με τα αποτελέσματα του Arc-SWAT. Τα αποτελέσματα των αναλύσεων ανέδειξαν α) σημαντικές ομοιότητες και διαφορές μεταξύ των τριών προσεγγίσεων, οι οποίες μπορούν να δώσουν απαντήσεις σε διαφορετικού τύπου ερωτήματα που εγείρονται από συστήματα λήψης αποφάσεων και β) σημαντικούς μεθοδολογικούς περιορισμούς των προσεγγίσεων, οι οποίοι περιγράφονται εκτενώς στην ενότητα της Συζήτησης με στόχο την αντιμετώπισή τους σε μελλοντικές έρευνες.