Monitoring erosion and sedimentation processes using UAV photogrammetry and t-Lidar data in unburned and post-fire settings
Authors: Αλεξίου Δέσποινα-Σιμώνη 
Published: January 2024

Σκοπός της παρούσας Διδακτορικής διατριβής είναι ο ποσοτικός προσδιορισμός της υδατικής διάβρωσης και ιζηματογένεσης σε επιμέρους περιοχές του Ελλαδικού χώρου που χαρακτηρίζονται από τυπικές Μεσογειακές συνθήκες, καθώς και σε περιοχές που βρίσκονται υπο καθεστώς μεταπυρικών συνθηκών, και στη συνέχεια, η συγκριση των αποτελεσμάτων του πεδίου με τα υφιστάμενα μοντέλα προσομοίσωσης. Στόχος είναι μέσω της παρούσας διατριβής, να οδηγηθούμε σε ασφαλή συμπεράσματα σχετικά με τη μεθοδολογία που επιλέγεται στις εκτιμήσεις της ιζηματογένεσης και τους ρυθμούς εδαφικής διάβρωσης καθώς και την ορθολογική εφαρμογή των μοντέλων, ειδικά σε σχέση με την κατασκευή και συντήρηση των υποδομών. Η υδατική διάβρωση που αποτελεί την κύρια διεργασία απόσπασης εδαφικού υλικού από τον επιφανειακό ορίζοντα του εδάφους, αποτελεί τη σημαντικότερη μορφή εδαφικής υποβάθμισης. Εξετάζοντας τις φυσικές (κλιματικές, εδαφολογικές, γεωμορφολογικές, γεωλογικές) συνθήκες, καθώς και τις επιπτώσεις των πυρκαγιών και εν γένει τις ανθρωπογενείς παρεμβάσεις, καθίσταται εμφανής η ανάγκη για εκτίμηση της επικινδυνότητας της εδαφικής διάβρωσης στον Ελλαδικό Χώρο. Επομένως, κρίνεται αναγκαία η προστασία του εδάφους έναντι της εδαφικής υποβάθμισης η οποία κατά περίπτωση μπορεί να οδηγήσει και σε ερημοποίηση των γαιών. Στον Μεσογειακό χώρο, το φαινόμενο των πυρκαγιών έχει πάρει μεγάλες διαστάσεις κυρίως λόγω της συχνότητας τους, ενώ στον Ελλαδικό χώρο χαρακτηριστική είναι η μεγάλη ευαισθησία και ευφλεκτικότητα του φυσικού περιβάλλοντος όσον αφορά το κλίμα και τη βλάστηση. Η βροχόπτωση στο αποκαλυμμένο έδαφος, εξαιτίας της έλλειψης φυτικής κάλυψης και της ενέργειας της σταγόνας της βροχής αποσπά και παρασύρει το ανόργανο και οργανικό υλικό του επιφανειακού τμήματος του εδάφους και το μεταφέρει σε χαμηλότερα υψόμετρα, όπου υπάρχει κλίση. Η διαδικασία αυτή σε συνδυασμό με τη γεωμορφολογία της περιοχής, τις κλίσεις, την ποικιλομορφία των εδαφών και των μητρικών πετρωμάτων κτλ., οδηγεί σε σημαντικά φαινόμενα διάβρωσης. Ετησίως, περίπου 50.000 πυρκαγιές επηρεάζουν 600.000 ha δασικών και θαμνώδων εκτάσεις στις νότιες Μεσογειακές χώρες. Τα κλιματικά χαρακτηριστικά κάνουν αυτές τις χώρες ευπαθείς σε πυρκαγιές, διότι η βλάστηση που αναπτύσσεται κατά την υγρή περίοδο τροφοδοτεί με πολλή καύσιμη ύλη ενδεχόμενες πυρκαγιές κατά την ξηρή περίοδο. Παρά το γεγονός ότι η πυρκαγιά είναι ένα φυσικό φαινόμενο στη Μεσόγειο, θεωρείται ότι πρόκειται για έναν από τους κυριότερους παράγοντες εδαφικής διάβρωσης στις περιοχές αυτές. Με την καταστροφή της βλάστησης και της δομής του επιφανειακού τμήματος του εδάφους από τη φωτιά, τα ατμοσφαιρικά κατακρημνίσματα πέφτουν με ένταση απευθείας στο έδαφος, μειώνεται η ικανότητα διήθησης και αποθήκευσης του νερού με αποτέλεσμα τη αύξηση της επιφανειακής απορροής. Επιπρόσθετα, η στάχτη και τα υλικά που παραμένουν πάνω στο έδαφος αλλάζουν ακόμα και το Ph. Η βροχόπτωση σε μία πυρόπληκτη περιοχή αυξάνει την εδαφική διάβρωση συγκριτικά με αντίστοιχες περιοχές που δεν έχουν καεί. Σημαντική πληροφόρηση σχετικά με τις διεργασίες διάβρωσης μπορεί να αποκτηθεί από τη μοντελοποίηση του φαινομένου αυτού. Οι πρώτες προσπάθειες μοντελοποίησης συνέδεαν τη διάβρωση με την κλίση εδάφους και το μήκος των πρανών αλλά και τις καλλιεργητικές πρακτικές. Οι μελέτες αυτές έθεσαν τις βάσεις για την Παγκόσμια Εξίσωση Εδαφικής Απώλειας (USLE), η οποία αποτέλεσε το κυρίαρχο επίτευγμα στον τομέα της μοντελοποίησης της εδαφικής διάβρωσης. Εντούτοις, η εκτίμηση της εδαφικής διάβρωσης περιλαμβάνει παραμέτρους, που αλληλοεπηρεάζονται και συνδέονται με πολύπλοκες διεργασίες και ρυθμούς διάβρωσης που μεταβάλλονται χωροχρονικά. Σε κάθε μοντέλο υπεισέρχονται διαφορετικές παράμετροι διάβρωσης, όπως η έκταση, η διάρκεια εφαρμογής, το κλίμα, η τοπολογία, είδος διάβρωσης, κ.α. Ως αποτέλεσμα, η προσοχή επικεντρώθηκε στα χωρικά γνωρίσματα των διεργασιών διάβρωσης, ενώ οι παράμετροι της διάβρωσης φαίνεται να εξαρτώνται και από την κλίμακα παρατήρησης. Τα πιο γνωστά μοντέλα στον Ελληνικό χώρο είναι τα: RUSLE, SWAT, Gavrilovic, WEPP και PESERA. Τα μοντέλα ANSWERS, CREAMS, PESERA, SWAT, WEPP κ.α., διέπονται από μια καλά προσδιορισμένη διεργασία εδαφικής μεταφοράς μεταξύ πηγής ιζήματος και τελικού αποδέκτη, διότι χρησιμοποιούν βασικές τοπολογικές σχέσεις. Απαιτούν λεπτομερή δεδομένα πεδίου, επομένως χαρακτηρίζονται από μεγάλο κόστος και από δυσκολία στην εφαρμογή τους. Στην παρούσα διατριβή επιλέχθηκαν τα μοντέλα RUSLE, PESERA και SWAT. Τo PESERA δίνει τη δυνατότητα συνδυασμού τοπογραφίας, κλίματος, εδαφικών παραμέτρων, και χρήσεων γης, εξάγοντας μια εκτίμηση ρυθμού απορροής και υδατικής διάβρωσης με σημείο αναφοράς μια Ευρωπαϊκή κλίμακα. Μπορεί να οδηγήσει στον εντοπισμό περιοχών επιρρεπών στον κίνδυνο εδαφικής διάβρωσης, εφόσον υπάρχει δυνατότητα εκτίμησης της αποτελεσματικότητας διαφορετικών αντιδιαβρωτικών πρακτικών επί διαδοχικών κύκλων πυρκαγιάς με τη χρήση σεναρίων ακόμα και για μεταβαλλόμενα κλιματικά δεδομένα. Συμπερασματικά, το PESERA έχει μια ασφαλή θεωρητική βάση και ανταποκρίνεται λογικά και σύμφωνα με τις εγκαθιδρυμένες αρχές στις αλλαγές του κλίματος, των χρήσεων γης και τη τοπογραφίας. Το RUSLE αποτελεί ένα ιδιαιτέρως εφαρμοσμένο μοντέλο, το οποίο όμως χαρακτηρίζεται ως εμπειρικό και διέπεται από απλουστεύσεις μεταξύ των παραμέτρων του. Είναι ένα ευρέως διαδεδομένο μοντέλο εξαιτίας της απλής εφαρμογής του, το οποίο έχει ως συνέπεια να υφίστανται πολλές μελέτες εδαφικής διάβρωσης σε ποικίλα περιβάλλοντα και κλίμακες, με μεγάλες όμως αβεβαιότητες σχετικά με τα αποτελέσματα τους. Το SWAT από την άλλη είναι και αυτό ένα ιδιαιτέρως πολύπλοκο μοντέλο, το οποίο όμως αποτυπώνει με ακρίβεια τον υδρολογικό κύκλο μιας λεκάνης μέσω της εκτίμησης της απορροής, της εξατμισοδιαπνοής και της κατείσδυσης του ύδατος. Το μοντέλο SWAT αποτελεί ένα σύνθετο, φυσικής βάσης, υδρολογικό μοντέλο συνεχούς χρόνου, με δυνατότητα χωρικής παραμετροποίησης, υπολογίζοντας, μέσω ημερήσιου βήματος δεδομένων, την απορροή και τη μεταφορά ιζήματος σε μια λεκάνη απορροής, το οποίο απαιτεί όμως βθμονόμηση για την ορθή εφαρμογή του. Όλα τα μοντέλα ελέγχονται και οφείλουν να αξιολογούνται σύμφωνα με την ποιότητα των δεδομένων που εισάγονται σε αυτά. Τα μοντέλα διάβρωσης χαρακτηρίζονται από πολυπλοκότητα, η οποία συνεπάγεται ότι υπάρχουν πολυάριθμα μοντέλα για οποιαδήποτε εφαρμογή αλλά και ένα μοντέλο να εφαρμόζεται σε πολυάριθμες συνθήκες. Εντούτοις, κανένα μοντέλο δεν είναι δυνατόν να αντιπροσωπεύσει απόλυτα τις φυσικές διεργασίες αλλά περιγράφεται από υποθέσεις και προσεγγίσεις. Παρά την συνεισφορά των GIS στη λύση γεωχωρικών προβλημάτων, υπάρχουν ακόμα πολλά προβλήματα στην ορθότητα των αποτελεσμάτων εξ ορισμού των μοντέλων. Επομένως, απαιτείται περεταίρω εξέταση της πιθανότητας βελτίωσης τους. Δεδομένου του προβλήματος της κλίμακας παρατήρησης, και της συλλογής δεδομένων πεδίου, αποδεικνύεται ότι τα δεδομένα δεν είναι πάντα κατάλληλα για την ανάπτυξη μοντέλου, ενώ η απλούστευση των μηχανικών και φυσικών διεργασιών, οδηγεί σε παρέκκλιση από τις φυσικές αρχές. Επιπλέον, συνηθίζεται είτε τα δεδομένα να προσεγγίζουν τα μοντέλα είτε τα μοντέλα να προσαρμόζονται στις υφιστάμενες συνθήκες λόγω ελλιπών βάσεων δεδομένων. Επιπρόσθετη αβεβαιότητα προκύπτει από την πολυπλοκότητα των διεργασιών διάβρωσης, η οποία αυξάνεται από την ένταση των ατμοσφαιρικών κατακρημνισμάτων και τη μορφολογική κλίση. Σε παλαιότερη μελέτη έχει επισημανθεί ότι η χρήση των μοντέλων θεωρείται προτιμητέα με όρους κατηγοριοποίησης εκτίμησης κινδύνου και όχι με όρους ποσοτικοποιημένων ρυθμών διάβρωσης. Σε όλα τα παραπάνω εάν προστεθεί η επίδραση των πυρκαγιών και των αλλαγών χρήσεων γης, εντείνεται το πρόβλημα της εδαφικής διάβρωσης εξαιτίας της επιτάχυνσης του φαινομένου. Η επίδραση της πυρκαγιάς στις διεργασίες διάβρωσης είναι ένα σπουδαίο περιβαλλοντικό πρόβλημα και χρήζει προσοχής. Η σημασία της μεταπυρικής εκτίμησης της διάβρωσης αναδεικνύεται από την υψηλή ευαισθησία των εδαφών της εσογείου στο φαινόμενο. Οι περισσότερες μελέτες μεταπυρικής διάβρωσης λαμβάνουν υπόψη εμπειρικά δεδομένα και υλοποιήθηκαν σε μεγάλες κλίμακες σε μικρές χρονικές περιόδους. Είναι όμως σπουδαίας σημασίας η κατανόηση του μηχανισμού εδαφικής διάβρωσης σε μικρότερες κλίμακες επιπέδου κοινότητας ή και περιφερειακού επιπέδου. Αυτό μπορεί να υλοποιηθεί μέσω των μοντέλων PESERA και SWAT, τα οποία έχουν τη δυνατότητα να οδηγήσουν στη βελτιστοποίηση της δασικής διαχείρισης, παρέχοντας καθοδήγηση στην εφαρμογή και αποτελεσματικότητα στη διατήρηση των εδαφικών πόρων και της βιοποικιλότητας μέσω των σεναρίων χρήσεων γης με τρέχοντα αλλά και μελλοντικά κλιματικά δεδομένα. Ορισμένοι ερευνητές ανέφεραν για πρώτη φορά τη χρήση των μοντέλων RUSLE, SWAT ή PESERA σε δασικά συστήματα με προσομοιώσεις πριν και μετά από ένα φαινόμενο πυρκαγιάς. Πολυάριθμες μελέτες έχουν επικεντρωθεί στην εκτίμηση μεταπυρικής εδαφικής διάβρωσης σε δασικά οικοσυστήματα χρησιμοποιώντας το μοντέλο RUSLE. Ελάχιστες μελέτες περιγράφουν μεταπυρική διάβρωση εφαρμόζοντας το μοντέλο PESERA, καθώς και του SWAT κυρίως λόγω της πολυπλοκότητας τους, ενώ ορισμένες μελέτες έχουν πραγματοποιήσει συγκριτική ανάλυση πολλαπλών μοντέλων. Θεωρείται λοιπόν, αναμφίβολα, σπουδαία η εφαρμογή μοντέλων εδαφικής διάβρωσης σε Μεσογειακά οικοσυστήματα. Κατά την παρούσα διατριβή έχουν επιλεγεί πέντε περιοχές μελέτης, οι τέσσερις εκ των οποίων χαρακτηρίζονται από μεταπυρικές συνθήκες. Πιο συγκεκριμένα, οι υπο μελέτη περιοχές περιλαμβάνουν μία περιοχή που επλήγη από την πυρκαγιά του 2019 στην Εύβοια (η οποία περιλαμβάνει δύο επιμέρους υποπεριοχές την S1 και S2), για την αξιολόγηση της μεθοδολογίας που εφαρμόσθηκε, μία υδρολογική λεκάνη στην ευρύτερη περιοχή της Λαμίας (φράγμα Πλατάνας) και δύο υδρολογικές λεκάνες (λεκάνη φράγματος Ηλιούπολης Υμηττού και φράγματος Σπαρτορρέματος Μαραθώνα) στην Αττική, οι οποίες έχουν πληγεί σε διαφορετικούς χρόνους (2015 και 2009 αντίστοιχα) από πυρκαγιά. Στην περίπτωση της Ηλιούπολης πραγματοποιήθηκε ανάλυση από το 2014 έως και το 2021, ενώ στην περίπτωση του Σπαρτορρέματος χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα από το 2009 έως το 2021. Στην περιοχή της κεντρικής Εύβοιας (περιοχές Κοντοδεδπότι, Μακρυμάλλη) εφαρμόσθηκε συγκριτική μέθοδος UAV-φωτογραμμετρίας και t-LiDAR, η οποία οδήγησε σε σημαντικά αποτελέσματα ετήσιων εδαφικών μεταβολών. Η τεχνική της φωτογραμμετρίας έδωσε υψηλής ανάλυσης αποτελέσματα σε περιοχές που η διάβρωση εντοπίζεται κατά κανόνα εντός των ρεμάτων, ενώ η τεχνική του t-LiDAR αποτυπώνει πιο λεπτομερώς τη διάβρωση στα πρανή. Η περιοχή αυτή επιλέχθηκε εξαιτίας της πυρκαγιάς και των άμεσων επιπτώσεων της στο επιφανειακό τμήμα του εδάφους. Αντίστοιχα στις υπόλοιπες περιοχές, επιλέχθηκαν φράγματα ανάσχεσης τα οποία συγκρατούν το ίζημα και επομένως καθίσταται δυνατός ο υπολογισμός του όγκου που συσσωρεύεται. Επιπρόσθετα, στις περιοχές αυτές εφαρμόσθηκαν ανάλογα τα μοντέλα RUSLE, PESERA, SWAT με κριτήριο εφαρμογής τα χαρακτηριστικά της κάθε περιοχής και τους περιορισμούς του κάθε μοντέλου. Στην περιοχή της Ηλιούπολης Υμηττού, μέσω της μεθοδολογίας υπέρθεσης δεδομένων μέσω χωρικών χαρτών (χρήση GIS), της τηλεπισκόπησης, της UAV-φωτογραμμετρίας, δεδομένων GPR, δεδομένων GNSS, των δεδομένων LiDAR (3D laser Scanning) που υπάρχουν από το 2015 και μετά, καθώς και μέσω επιτόπιων μετρήσεων εδαφικού υλικού, εξήχθησαν συμπεράσματα ποσοτικοποίησης της εδαφικής διάβρωσης, τα οποία συγκρίθηκαν με τα αποτελέσματα των μοντέλων RUSLE, PESERA και SWAT. Η ίδια μεθοδολογία εφαρμόσθηκε και στην περιοχή του φράγματος της Πλατάνας με μετρήσεις UAV-φωτογραμμετρίας σε σύγκριση με τα αποτελέσματα των μοντέλων RUSLE και PESERA, ενώ επιβεβαιώθηκαν και με ρηχές γεωτρήσεις εντός του υλικού απόθεσης, ενώ στην περιοχή του Σπαρτορρέματος, επιλέχθηκε η χρήση των δύο μοντέλων RUSLE, και SWAT σε αντιπαραβολή με τη μέτρηση όγκου ιζήματος που προέκυψε από GNSS, UAV-φωτογραμμετρίας και δεδομένα t-LiDAR. Η τεχνική της σύγκρισης των παραγόμενων «σημειακών νεφών» της φωτογραμμετρίας εφαρμόσθηκε στην περιοχή του φράγματος της Πλατάνας (στην ευρύτερη περιοχή της Λαμίας) για τα έτη 2020-2021 και 2021-2022, μετρώντας απόθεση ιζήματος ίση με 1620 m3 ή 6.05 t/ha/yr και 3500 m3 ή 13 t/ha/yr αντίστοιχα. Η εφαρμογή του μοντέλου RUSLE θεωρήθηκε πιο επιτυχής σε σχέση με την εκτίμηση του PESERA, δεδομένου ότι η εκτίμηση του ρυθμού εδαφικής διάβρωσης για την περίοδο 2020-2021 ήταν 5.81 t/ha/yr, και 1.12 t/ha/yr αντίστοιχα. Το PESERA (όπως και το RUSLE) υποεκτίμησε και το επόμενος έτος εφαρμογής του (2021-2022), εκτιμώντας ρυθμό εδαφικής διάβρωσης 2.49 t/ha/yr έναντι 5.94 t/ha/yr, του RUSLE. Ως αποτέλεσμα, μέσω της μεθοδολογίας αυτής, κατέστη δυνατός ο υπολογισμός της απόθεσης ιζήματος από την κατασκευή του φράγματος (2004-2005) μέχρι το 2022 (18 έτη). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι έχει ήδη καλυφθεί το 48% του σώματος του φράγματος (μετρημένο στην κάθετη συνιστώσα, σύμφωνα με τη μεθοδολογία της φωτογραμμετρίας. Το γεγονός αυτό μπορεί να οδηγήσει σε αυξημένη πλημμυρική επικινδυνότητα της περιοχής της Λυγαριάς, στα κατάντη του φράγματος. Οι μεθοδολογίες της φωτογραμμετρίας και του t-LiDAR εφαρμόσθηκαν, επιπρόσθετα, στις περιοχές της Ηλιούπολης και του Σπαρτορρέματος της Αττικής. Ως αποτέλεσμα, υπολογίστηκε όγκος ιζήματος 40 m3 να έχει αποτεθεί στη λεκάνη του φράγματος της Ηλιούπολης (κατά την πρώτη έντονη βροχόπτωση μετά την πυρκαγιά του Ιουλίου 2015) και επιπρόσθετα 20 m3 αποτέθηκαν μέσα στο επόμενο εξάμηνο (Οκτώβριος 2015- Απρίλιος 2016), ενώ περαιτέρω μείωση παρατηρήθηκε κατά τα έτη 2017-2020. Το γεγονός αυτό επιβεβαιώνει τη γενική θεώρηση της μείωσης του ρυθμού ιζηματοαπόθεσης μετά τα πρώτα χρόνια της εκδήλωσης της πυρκαγιάς. Στο φράγμα της Ηλιούπολης, πραγματοποιήθηκε συγκριτική ανάλυση του όγκου του ιζήματος των παραπάνω τεχνικών με τα μοντέλα PESERA, RUSLE και SWAT, κατά την οποία η εφαρμογή του μοντέλου SWAT θεωρήθηκε επιτυχής, εκτιμώντας όγκο ιζήματος 44.77 m3 έναντι της μετρημένης (μέσω του TLS και GPR) τιμής των 60 m3, ενώ είχε την καλύτερη απόδοση και στην περίπτωση της εκτίμησης του ιζήματος που αποτέθηκε κατά το πρώτο πλημμυρικό φαινόμενο μετά την πυρκαγιά (Ιούλιος 2015), διαφοροποιημένο μόνο κατά 5% από τον όγκο ιζήματος που υπολογίστηκε μέσω της εφαρμογής του t-LiDAR/ GPR στο υλικό απόθεσης του φράγματος ανάσχεσης στην Ηλιούπολη. Αντίστοιχα, στη λεκάνη του Σπαρτορρέματος υπολογίστηκε όγκος ιζήματος 425-630 m3 μέσω της ανάλυσης TLS/GNSS για την περίοδο 2010-2020, έναντι της εκτίμησης των 323 m3 και 1100 m3, των μοντέλων SWAT και RUSLE αντίστοιχα. Η διαφοροποίηση αυτή μεταξύ των εκτιμήσεων των μοντέλων οφείλεται στη διαφορετική προσέγγιση των ρυθμών εδαφικής διάβρωσης του κάθε μοντέλου, είτε μέσω της επίδρασης της βροχόπτωσης (π.χ. RUSLE), είτε της επίδρασης της επιφανειακής απορροής (SWAT). Οι διακυμάνσεις που παρατηρούνται στις εκτιμήσεις των μοντέλων τόσο μεταξύ τους, όσο και σε σχέση με τις πραγματικές τιμές ιζηματοαπόθεσης, σχετίζονται κυρίως με περιορισμούς που αφορούν, είτε τη φύση του εκάστοτε μοντέλου (φυσικό ή εμπειρικό μοντέλο), είτε τη θεώρηση του κάθε μοντέλου σχετικά με την επίδραση της βροχόπτωσης και των χρήσεων γης. Τα μοντέλα SWAT και PESERA εξαιτίας των φυσικών σχέσεων που τα διέπουν μπορούν να εφαρνοσθούν και σε περιοχές εκτός των γεωργικών όπου αρχικά εφαρμόσθηκαν, ενώ το RUSLE, όντας εμπειρικό μοντέλο, χρήζει ιδιαίτερης προσοχής και παραμετροποίησης του όταν εφαρμόζεται εκτός γεωργικών περιοχών. Εν κατακλείδι, η τελική εκτίμηση της δυναμικής των εδαφικών πόρων ως προς το φαινόμενο της διάβρωσης, μέσω προτυποποιημένων πρακτικών μοντελοποίησης καθίσταται δυνατή. Το πρακτικό όφελος της εργασίας αυτής είναι ο ορισμός μιας συλλογικής ανάληψης σχεδίων δράσης και μέτρων πρόληψης από φαινόμενα απώλειας εδαφών, κατάρρευσης οικοσυστημάτων και ερημοποίησης.