Βιώσιμη γεωργική διαχείριση στη λεκάνη του Πηνειού με χρήση τηλεπισκόπησης, προσομοίωση σε SWAT και ανάλυση αλληλεπιδράσεων νερού-γης-τροφής-ενέργειας - Δαγαλάκη, Βασιλική (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Υδατικών Πόρων και Περιβάλλοντος, 2016)
Το Υδατικό Διαμέρισμα Θεσσαλίας περιλαμβάνει τη μεγαλύτερη πεδινή έκταση στην Ελλάδα και το 12% της συνολικής γεωργικής έκτασης στη χώρα. Ωστόσο αποτελεί το πιο ελλειμματικό διαμέρισμα της ηπειρωτικής χώρας σε νερό, καθώς οι τοπικοί επιφανειακοί και υπόγειοι υδατικοί πόροι παρά την ενίσχυσή τους από τις εκροές του ταμιευτήρα Πλαστήρα δεν επαρκούν για την κάλυψη των αρδευτικών αναγκών. Ταυτόχρονα, το Θεσσαλικό πεδίο έχει χαρακτηριστεί με υπουργική απόφαση ως ευπρόσβλητη από νιτρορύπανση γεωργικής προέλευσης ζώνη έπειτα από αξιολόγηση των στοιχείων ποιότητας των επιφανειακών και υπόγειων υδάτων και εντοπισμό υψηλών συγκεντρώσεων ΝΟ3 σύμφωνα με τα κριτήρια της Οδηγίας 91/676/ΕΟΚ. Λαμβάνοντας υπόψη το γεγονός ότι η συνδυασμένη διαχείριση νερού, γης, τροφής και ενέργειας (WELF nexus) μπορεί να υποστηρίξει την επιδίωξη οικονομικά, κοινωνικά και περιβαλλοντικά βιώσιμης ανάπτυξης σε παγκόσμιο, κρατικό ή τοπικό επίπεδο, επιχειρήθηκε η διερεύνηση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των διαφορετικών αυτών τομέων στη λεκάνη απορροής του ποταμού Πηνειού. Πιο συγκεκριμένα, στη συγκεκριμένη διπλωματική εργασία δημιουργήθηκε ένας επικαιροποιημένος χάρτης χρήσεων γης για την περιοχή ενδιαφέροντος με χρήση τηλεπισκοπικών δεδομένων, αναπτύχθηκε το κατανεμημένο υδρολογικό μοντέλο φυσικής βάσης SWAT και εξετάστηκαν πέντε σενάρια εφαρμογής διαφορετικών γεωργικών πρακτικών στις αρδευόμενες καλλιέργειες της λεκάνης, με ανάλυση των αλληλεπιδράσεων νερού, γης, τροφής και ενέργειας. Αρχικά πραγματοποιήθηκε η προμήθεια των δορυφορικών εικόνων προερχόμενων από το δορυφόρο Landsat 8-OLI/TRS. Με χρήση του ERMapper, ενός προγράμματος επεξεργασίας τηλεπισκοπικών εικόνων, επιτεύχθηκε η σύνθεση του μωσαϊκού των δορυφορικών εικόνων που απεικονίζουν την περιοχή μελέτης, η αναγνώριση της περιοχής στη οποία κρίθηκε απαραίτητη η πραγματοποίηση ταξινόμησης και η κατασκευή του κατάλληλου έγχρωμου σύνθετου. Το έγχρωμο σύνθετο εισήχθη ακολούθως στο λογισμικό αντικειμενοστραφούς ανάλυσης εικόνας eCognition, όπου πραγματοποιήθηκε η διαδικασία της κατάτμησης και ταξινόμησης. Επιλέχθηκε η «από κάτω προς τα πάνω» κατάτμηση (bottom up segmentation) με τις τιμές των παραμέτρων να ορίζονται εμπειρικά. Οι κλάσεις, στις οποίες έγινε η ταξινόμηση των αντικειμένων που δημιουργήθηκαν από την κατάτμηση, ήταν οι εξής: αγρανάπαυση, μηδική, καλαμπόκι, βαμβάκι, βοσκότοποι, ζαχαρότευτλο, τομάτα, δενδρώδης περιοχή και σιτάρι. Η ταξινόμηση ήταν επιβλεπόμενη με χρήση του αλγόριθμου του εγγύτερου γείτονα για τη μέση τιμή και τυπική απόκλιση της φωτεινότητας στα διάφορα κανάλια. Τόσο οι περιοχές εκπαίδευσης όσο και οι περιοχές ελέγχου προήλθαν από τη βάση δεδομένων του Ο.Π.Ε.Κ.Ε.Π.Ε. έτσι όπως διαμορφώθηκε έπειτα από τις αιτήσεις Ενιαίας Ενίσχυσης των αγροτών το έτος 2013. Από τις εκτελεσθείσες ταξινομήσεις επιλέχθηκε εκείνη με τη μεγαλύτερη συνολική ακρίβεια (0.67), υψηλότερο δείκτη KIA (0.6) και υψηλότερες επιμέρους ακρίβειες για τις σημαντικότερες κλάσεις. Ο χάρτης χρήσεων γης συντέθηκε από τα αποτελέσματα της ταξινόμησης και τα δεδομένα χρήσεων γης CORINE του έτους 2000. 6 Η κατασκευή του υδρολογικού μοντέλου της λεκάνης απορροής πραγματοποιήθηκε στο λογισμικό ArcSWAT. Τα δεδομένα εισαγωγής περιλαμβάνουν το Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους (DEM) της περιοχής, τη σχηματοποίηση των υπολεκανών, τον παραχθέντα χάρτη χρήσεων γης, τον εδαφολογικό χάρτη καθώς και χρονοσειρές ημερήσιων μετρήσεων βροχόπτωσης, μέγιστων και ελάχιστων θερμοκρασιών. Η λεκάνη απορροής χωρίστηκε σε 49 υπολεκάνες και 848 μονάδες υδρολογικής απόκρισης (HRUs). Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε η επεξεργασία των παραμέτρων των αρχείων προγράμματος, ώστε να προσομοιωθούν η λειτουργία των ταμιευτήρων εντός της λεκάνης, οι μεταφορές νερού, οι συμβατικές μέθοδοι άρδευσης και λίπανσης. Η βαθμονόμηση και επαλήθευση του μοντέλου πραγματοποιήθηκε με χρήση μηνιαίων χρονοσειρών μετρημένων παροχών και συγκεντρώσεων θρεπτικών σε συνολικά τέσσερις θέσεις κατά μήκος του κύριου ρεύματος. Στη βαθμονόμηση συμμετείχαν συνολικά 10 παράμετροι σχετικές με τα ποσοτικά χαρακτηριστικά του νερού και 11 παράμετροι σχετιζόμενες με τα ποιοτικά χαρακτηριστικά. Για την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων της ποσοτικής βαθμονόμησης υπολογίστηκε ο δείκτης NSE και άλλα μέτρα επίδοσης με τιμές μέσα στα αποδεκτά όρια, όπως ορίζονται από τη βιβλιογραφία, τόσο για την περίοδο της βαθμονόμησης όσο και για την περίοδο της επαλήθευσης και συνεπώς η προγνωστική ικανότητα παροχών του μοντέλου κρίθηκε ικανοποιητική. Αντιθέτως, η συσχέτιση μεταξύ των προσομοιωμένων φορτίων ολικού φωσφόρου και των παρατηρημένων κρίθηκε μη ικανοποιητική και τα αποτελέσματα δεν αξιοποιήθηκαν περαιτέρω. Τα αποτελέσματα της ποιοτικής βαθμονόμησης όσον αφορά τα νιτρικά κρίθηκαν αποδεκτά για τους σκοπούς της παρούσας εργασίας. Το βαθμονομημένο μοντέλο χρησιμοποιήθηκε για την εκτέλεση πέντε σεναρίων εφαρμογής διαφορετικών γεωργικών πρακτικών άρδευσης και λίπανσης για τις αρδευόμενες καλλιέργειες της λεκάνης απορροής. Πέρα από την προσομοίωση της υφιστάμενης κατάστασης (REF) τα εκτελεσθέντα σενάρια περιλαμβάνουν εφαρμογή ελλειμματικής άρδευσης (DI), μειωμένης λίπανσης αζώτου (RF), συνδυασμού αυτών (DIRF) και εφαρμογή γεωργίας ακριβείας (PA). Τα αποτελέσματα του μοντέλου SWAT υπέστησαν κατάλληλη επεξεργασία, ώστε από αυτά να εξαχθούν αντιπροσωπευτικοί δείκτες σχετικά με την επίδραση των γεωργικών πρακτικών τόσο στους υδατικούς πόρους όσο και στους τομείς της ενέργειας, της τροφής και του εδάφους. Το σενάριο PA έχει τις καλύτερες επιδόσεις στον τομέα του νερού και της τροφής (γεωργικής παραγωγής). Πράγματι, καταφέρνει να βελτιώσει την αποδοτικότητα νερού και λιπανσης για την αύξηση της γεωργικής παραγωγής. Προκαλεί ηπιότερες επιπτώσεις στα υπόγεια ύδατα, ενώ ταυτόχρονα παρουσίαζει τη μικρότερη εκμετάλλευση των μόνιμων υπόγειων αποθεμάτων νερού συγκριτικά με τα άλλα σενάρια. Τα σενάρια DI και DIRF έχουν παρόμοιες επιπτώσεις στους τομείς του WELF Nexus με εξαίρεση την κατείσδυση NO3 στα υπόγεια ύδατα όπου το DIRF αποδίδει καλύτερα. Αποτελούν την πλεόν συμφέρουσα επιλογή με κριτήριο την τιμή του απλοποιημένου δείκτη WEI. Το σενάριο DI αποτελέι το βέλτιστο σενάριο με κριτήριο τη συνολική καθαρή αξία ενεργειακής παραγωγής, το DIRF είναι το επόμενο σε απόδοση σε αυτόν τον τομέα. Το σενάριο RF δεν αποτελεί βέλτιστη επιλογή για κανένα από τα εξεταζόμενα κριτήρια. Για τον τομέα της Γης, όλα τα γεωργικά σενάρια έχουν παρόμοια απόδοση. 7 Κανένα σενάριο δεν επικρατεί ολικά απέναντι στα υπόλοιπα. Η αναγώριση ενός σεναρίου ως βέλτιστο προϋποθέτει την ιεράρχηση των κριτηρίων από τους φορείς λήψης αποφάσεων και την ποσοτικοποίηση αυτής. Χρήσιμη προς αυτή την κατεύθυνση θα ήταν επίσης μια ανάλυση ευαισθησίας ανάλυση ευαισθησίας για τις τιμές του νερού, των λιπασμάτων, της ενέργειας και της γεωργικής παραγωγής.