Σύγκριση μεθόδων εκτίμησης δυνητικής εξατμισοδιαπνοής στη Δυτική Ελλάδα, με χρήση Συστημάτων Γεωγραφικών Πληροφοριών (GIS)

Abstract

Η εξατμισοδιαπνοή αποτελεί ένα σημαντικό μέρος του υδρολογικού κύκλου. Ορίζεται ως το νερό που διαφεύγει στην ατμόσφαιρα ως εξάτμιση από την επιφάνεια του εδάφους ή των φύλλων των φυτών και ως διαπνοή από τα φύλλα. Οι υδρολογικές απώλειες μέσω εξατμισοδιαπνοής είναι σημαντικές γιατί επηρεάζουν, όχι μόνο τις απαιτούμενες ποσότητες αρδευτικού νερού, αλλά γενικά την εφαρμογή και σχεδίαση των αρδεύσεων και έργων υδατικής οικονομίας. Οι παράγοντες που καθορίζουν την εξατμισοδιαπνοή σε μια περιοχή είναι φυσικοί αλλά και βιολογικοί. Έχουν αναπτυχθεί άμεσοι τρόποι (π.χ. λυσίμετρο) ή έμμεσοι τρόποι υπολογισμού της. Στους έμμεσους ανήκουν μοντέλα τα οποία χρησιμοποιούν μετεωρολογικά δεδομένα. Ο Ρenman, το 1948, παρουσίασε την πληρέστερη θεωρητική διερεύνηση του φαινομένου της εξάτμισης από μια ελεύθερη υδάτινη επιφάνεια και διατύπωσε τη μέθοδο Penman, η οποία γενικεύτηκε και έτσι προέκυψε το συνδυαστικό μοντέλο εξατμισοδιαπνοής αναφοράς ή αλλιώς δυνητικής εξατμισοδιαπνοής των Penman-Monteith. Οι Tegos et al. (2015), παρουσίασαν την Παραμετρική Μέθοδο εκτίμησης της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς, η οποία χρησιμοποιήθηκε στην έρευνα που πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια της παρούσας εργασίας: PET = (a R_(a )-b)/(1 - c Τ) όπου a, b και c εμπειρικοί συντελεστές που προσδιορίζονται με τη μέθοδο των ελάχιστων τετραγώνων, θερμοκρασίας T και εξωγήινης ή άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας Ra. Ο σκοπός της παρούσας μελέτης ήταν η διερεύνηση της ποιότητας της εκτίμησης της μηνιαίας εξατμισοδιαπνοής αναφοράς στην περίπτωση που δεν είναι διαθέσιμα όλα τα απαιτούμενα μετεωρολογικά δεδομένα για την εφαρμογή του μοντέλου Penman-Monteith. Η ανάλυση έγινε με χρήση δεδομένων από τρεις σταθμούς της Δυτικής Ελλάδας, τον Πύργο, την Πάτρα και τη Ζάκυνθο από το δίκτυο του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών (https://www.meteo.gr). Για τον σταθμό του Πύργου αναζητηθήκαν και βρέθηκαν όλα τα απαραίτητα μετεωρολογικά δεδομένα για τον υπολογισμό της μηνιαίας εξατμισοδιαπνοής αναφοράς δηλαδή η θερμοκρασία, η σχετική υγρασία, η ταχύτητα ανέμου και η ηλιακή ακτινοβολία από το δίκτυο του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών. Χρησιμοποιώντας τα διαθέσιμα δεδομένα υπολογίστηκε η μηνιαία δυνητική εξατμισοδιαπνοή με βάση το μοντέλο Penman-Monteith, αλλά και οι παράμετροι a, b, c της παραμετρικής μεθόδου. Οι υπολογισμοί πραγματοποιήθηκαν με τη βοήθεια του λογισμικού επεξεργασίας χρονοσειρών HYDROGNOMON. Τα αποτελέσματα του μοντέλου Penman-Monteith στο σταθμό του Πύργου, θεωρήθηκαν ως η βάση για τις συγκρίσεις που πραγματοποιήθηκαν στη συνέχεια. Για τους σταθμούς Πάτρας και Ζακύνθου ήταν διαθέσιμα μόνο τα δεδομένα της θερμοκρασίας αέρα, αλλά από τη βιβλιογραφία ήταν γνωστές οι τιμές των παραμέτρων a, b, c. Χρησιμοποιώντας τα διαθέσιμα δεδομένα, υπολογίστηκε η μηνιαία δυνητική εξατμισοδιαπνοή για τους δύο σταθμούς με βάση την παραμετρική μέθοδο. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκαν δύο προσεγγίσεις εκτίμησης της δυνητικής εξατμισοδιαπνοής στη θέση του σταθμού του Πύργου, χρησιμοποιώντας το Σύστημα Γεωγραφικών Πληροφοριών ανοικτού κώδικα QGIS. Η πρώτη αφορούσε την χωρική παρεμβολή των σημειακών τιμών PET των σταθμών Πάτρας και Ζακύνθου με την μέθοδο χωρικής παρεμβολής IDW (Inverse Distance Weighting Interpolation - Μέθοδος Παρεμβολής της Αντίστροφα Σταθμισμένης Απόστασης), ενώ η δεύτερη εστίασε στην χωρική εφαρμογή της παραμετρικής μεθόδου, δημιουργώντας χάρτες των μεταβλητών και των παραμέτρων, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο IDW και εφαρμόζοντας την εξίσωση της μεθόδου χωρικά με το εργαλείο raster calculator. Για όλες τις χωρικές παρεμβολές δημιουργήθηκαν οι αντίστοιχοι θεματικοί χάρτες. Κατόπιν, εντοπίστηκαν στους χάρτες οι τιμές εξατμισοδιαπνοής που εκτιμήθηκαν από τις δύο προσεγγίσεις, για τη θέση του σταθμού στον Πύργο. Τα αποτελέσματα αυτά συγκρίθηκαν με τις τιμές αναφοράς ΡΕΤ του σταθμού, οι οποίες είχαν προκύψει από την εφαρμογή του μοντέλου Penman-Monteith. Η σύγκριση πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια διάφορων στατιστικών κριτηρίων αλλά και χωρικά, μέσω της δημιουργίας χαρτών από τους οποίους προκύπτουν οι διαφορές των αποτελεσμάτων κάθε προσέγγισης από τους χάρτες που προέκυψαν χρησιμοποιώντας τις τιμές αναφοράς. Τα αποτελέσματα της ανωτέρω ανάλυσης έδειξαν ότι η εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής αναφοράς στη θέση του σταθμού του Πύργου, χρησιμοποιώντας τα δεδομένα των άλλων δύο σταθμών, ήταν καλύτερη στην περίπτωση της χωρικής εφαρμογής της παραμετρικής μεθόδου, επιβεβαιώνοντας τη θεωρητική ανάλυση εφαρμογής της μεθόδου, όπως αυτή έχει παρουσιαστεί αρχικά. Abstract

Evapotranspiration constitutes an important part of the hydrologic cycle. It is defined as the water that is transferred to the atmosphere by evaporation from the soil surface or the plant leaves and by transpiration from the leaves. Hydrological losses by evapotranspiration are important because they affect, not only the needed amounts of irrigation water, but generally the application and design of irrigation projects and water saving. The drivers of the evapotranspiration in an area are physical but also biological. There have been developed direct ways (e.g. lysimeter) or indirect ways of estimation. The indirect ways include hydrological models that use meteorological data. In 1948, Penman executed the most thorough theoretical investigation in order to compute the evaporation from an open water surface and stated the Penman method, which was later generalized to the Penman-Monteith combination method of reference evapotranspiration or potential evapotranspiration. Tegos et al. (2015) presented the Parametric method for the evaluation of reference evapotranspiration, which constituted the basis for the research carried out in the context of the present study: PET = (a R_(a )-b)/(1 - c Τ) where a, b and c are empirical factors that are determined by the least squares method, T stands for temperature and Ra for extraterrestrial or direct solar radiation. The goal of the study was the evaluation of the quality of the monthly values of reference evapotranspiration in the case of insufficient data for the Penman-Monteith model. The necessary meteorological data (air temperature, humidity, wind speed and solar radiation), for Pyrgos station, were available from the National Observatory of Athens (https://www.meteo.gr). Using this data, monthly potential evapotranspiration was calculated based on the Penman-Monteith model, but also the parametric model parameters a, b, c. This procedure was carried out with the application HYDROGNOMON. The results of the Penman-Monteith model at Pyrgos station were considered as reference for the comparisons made thereafter. For Patras and Zante stations the only available meteorological data was the air temperature, but also the a, b, c parameters from literature. Monthly potential evapotranspiration has been calculated for also these 2 stations. Two approaches were then made to assess potential evapotranspiration at the location of the Pyrgos station, using the QGIS Open Source Geographical Information System. The first concerned the spatial interpolation of the PET point values of the Patras and Zakynthos stations by the Inverse Distance Weighting Interpolation (IDW) method, while the second focused on the spatial application of the parametric method, creating maps of variables and parameters using the IDW method and applying the equation of the method spatially with the raster calculator tool. For all spatial interpolations, the corresponding thematic maps were created. Subsequently the evapotranspiration values estimated by the two approaches were identified from the maps for the location of the station in Pyrgos. These results were compared with the station's PET reference values resulting from the application of the Penman-Monteith model. The comparison was made using various statistical criteria as well as spatially, by creating maps that present the differences between the results of each approach from the maps obtained using the reference values. Subsequently there has been done spatial interference of these values, for every month, in the Geographic Information System (GIS) and maps have been drawn with values bands. Following, using spatial interpolation IDW (Inverse Distance Weighted Interpolation) and with various methods, values of evapotranspiration, which the system predicts, have been recorded, for the station of Pyrgos. Moreover, there have been drawn maps, where the values bands are visible. These results have been compared to the reference values of Pyrgos, that have been resulted from the application of models to the meteorological data. This comparison was to the point, by using Statistical criteria and spatial with the drawing of maps that show the difference of the results of every method used, to the reference values. The results of the above analysis showed that the assessment of the reference evapotranspiration at the location of the Pyrgos station using data from the two other stations, was better in the case of the spatial application of the parametric method, confirming the theoretical analysis considering the application of the method as initially presented.