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

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.