Resumen de Modelling land change scenarios in the Gaza strip and impacts on the environmental elements
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Según el reglamento de la Universidad de Granada, una tesis doctoral puede consistir en una “agrupación de publicaciones” y se presentará como un informe sobre los artículos de investigación publicados por el doctorando en revistas académicas o dentro de los círculos científicos relevantes en su área de conocimiento. La recomendación del Consejo Asesor de Doctorado es que aquellos estudiantes de Doctorado que utilicen este formato deben incluir un mínimo de tres artículos y un informe sobre el factor de impacto que han tenido estas publicaciones.
La presente Tesis, por agrupación de trabajos de investigación o Tesis por compendio de publicaciones, incluye cuatro estudios sobre el cambio de usos y coberturas del suelo en la Franja de Gaza (Palestina) y su impacto sobre el medio ambiente de esta región. Dos trabajos (Capítulo 5 y Capítulo 7) fueron publicados como artículos en la revista Arabian Journal of Geosciences – Journal Citation Report (JCR) 1.224. El Capítulo 5 fue citado en un artículo y el Capítulo 7 fue citado en 30 artículos y un capítulo de libro. A ellos se une un capítulo de libro en la editorial Springer (Capítulo 6), que se encuentra actualmente en prensa y cuenta ya con asignación de doi, y otro artículo (Capítulo 8), que está en proceso de revisión.
Siguiendo el reglamento de la Universidad de Granada sobre las secciones que debe tener una Tesis por compendio de publicaciones, la misma se inicia con un resumen amplio de la tesis. A continuación, la Parte I se divide en 4 capítulos: Capítulo 1, que presenta el contexto, los conceptos básicos y la estructura de la tesis; Capítulo 2, que establece la Hipótesis y los Objetivos; Capítulo 3, que describe la zona de estudio, centrándose especialmente en las características naturales de la Franja de Gaza, su demografía, su situación socioeconómica, los cambios de uso del suelo en las últimas décadas, la aportación de la Franja de Gaza al cambio climático, el transporte en esta zona y la situación política; y, finalmente, en el Capítulo 4 se explica la metodología aplicada en las cuatro aportaciones.
La segunda parte (Parte II) tiene dos capítulos (un artículo - Capítulo 5 y un capítulo de libro - Capítulo 6), que presentan los resultados y la discusión tras la aplicación de la metodología de análisis y modelado del cambio de usos y coberturas del suelo presentada en el Capítulo 4. La Parte III se compone de 2 capítulos (un artículo ya publicado - Capítulo 7 y otro artículo en proceso de revisión - Capítulo 8), que se centran en los impactos de los cambios en el uso y la cobertura del suelo sobre el medio ambiente. A estas partes le siguen las conclusiones y las perspectivas globales sobre la tesis. La tesis acaba con dos anexos: Anexo I – El factor de impacto y análisis de la calidad de las aportaciones (Capítulo 7, Capítulo 5. Capítulo 6) y Anexo II – Emisiones de CO2 en la Franja de Gaza.
1. Introducción La Franja de Gaza ha sido un escenario de conflicto durante décadas. Cada uno de los múltiples conflictos ha dejado su impronta en la zona, y a lo largo del tiempo se ha desarrollado una huella medioambiental importante (UNEP 2009). La tasa de crecimiento de la población y de la expansión urbana que impulsa ha afectado a la región entera. Por lo general los gazatíes prefieren vivir cerca de los servicios e infraestructuras urbanas, que normalmente se encuentran en el centro de las zonas residenciales, y prefieren evitar las zonas de peligro. La Franja de Gaza ha estado implicada directamente en muchas guerras, las últimas en 2008, 2012 y 2014. La más destructiva en cuanto a edificios e infraestructuras fue la guerra de 2014. Los israelíes lanzaron una ofensiva contra la Franja de Gaza el 8 de julio que continuó hasta el 26 de agosto de 2014. Dejó un reguero de devastación por toda la región de grados distintos, desde daños estructurales hasta la destrucción completa de miles de casas. Es probable que la reconstrucción post-bélica aumente el crecimiento urbano aún más, incrementando de esta forma la presión sobre lo que ya es una zona abarrotada.
El uso y la cobertura del suelo en la Franja de Gaza está sujeto a una creciente presión por el incremento demográfico, lo cual provoca la disminución y la degradación de elementos medioambientales que ya han sido dañados, como el agua, la tierra y los recursos naturales. Esto puede tener consecuencias directas para la salud pública.
Para la planificación futura de zonas como esta es imprescindible poder entender, predecir y analizar el uso y la cobertura del suelo. Uno de los factores más importantes que afecta a la Franja de Gaza es la rápida tasa de crecimiento demográfico, que se ha convertido en uno de los temas más acuciantes en la sociedad palestina hoy en día. Según la Oficina Central de Estadística Palestina, con las tasas de crecimiento de los últimos años, 3,44% a mediados de 2013, y 3,41% a mediados de 2014 (PCBS 2014) para el año 2023 la población de la Franja de Gaza habrá llegado a más de 2,4 millones de personas. Esta zona ya tiene una de las densidades de población más altas del mundo con una cifra estimada de 3.956 personas/ km² en el año 2006. Esta tasa de crecimiento demográfico y la expansión urbana que conlleva afecta a toda la región. Esta cifra es incluso más alta en la Gobernación de Gaza (unas 6.834 personas / km²) donde se concentra la mayor parte de la población. Otro problema serio en Gaza es la expansión urbana dispersa. El número de unidades de vivienda en la Franja de Gaza aumentó desde 116,445 en 1997 hasta 147,437 en 2007 (PCBS 2012). La presión sobre el suelo en esta región se ha incrementado debido a diversos factores humanos y naturales, repercutiendo en la calidad y cantidad de suelo disponible (Abuelaish y Camacho 2016). La urbanización de zonas no urbanas ha aumentado la presión sobre los ecosistemas naturales (Taubenbock et al. 2012, Haas y Ban 2014) y trae consigo la contaminación de la tierra, el agua y el aire (Duh et al. 2006, Ren et al. 2003).
El cambio de usos y coberturas del suelo (conocido por sus siglas en inglés como LUCC) es un motor clave del cambio medioambiental a nivel mundial y tiene importantes implicaciones en las políticas nacionales e internacionales (Nunes y Auge 1999; Lambin 2001), lo cual nos indica que los impactos de estos cambios son aspectos cruciales para muchos programas gubernamentales. Por lo tanto es de vital importancia medir y documentar los niveles, motores y consecuencias de estos cambios. El LUCC se relaciona a menudo con la planificación territorial, los suministros agrícolas y el crecimiento urbano (Paegelow y Camacho, 2008). En los países en desarrollo, el problema de la expansión urbana dispersa se empeora por la falta de planificación de los usos y coberturas del suelo (Jat et al. 2008; Bayramoglu y Gundogmus 2008; Han et al. 2009; Biggs et al. 2010; Lee y Choe 2011).
2. Hipótesis y Objetivos 2.1. Hipótesis La hipótesis principal de este estudio es que la tasa de crecimiento urbano en la Franja de Gaza, que es sobre todo el resultado del desarrollo urbano y de la reconversión agrícola, está muy influenciada por los cambios dinámicos en la situación política. La inestabilidad inherente a esta situación complica mucho cualquier intento de evaluar la tasa de cambio en el uso y la cobertura del suelo (LUCC) en la Franja de Gaza. Por lo tanto varios modelos han sido aplicados para evaluar los cambios en los datos del LUCC para distintos periodos, en función de los cambios en la situación política. Estos modelos pueden ser comprobados empíricamente para permitirnos hacer previsiones y evaluar escenarios para el futuro de la Franja de Gaza, tratando a todas las zonas no urbanas como si fueran zonas agrícolas.
Nuestra hipótesis secundaria versa sobre los impactos del LUCC sobre el medio ambiente. Las cuencas de agua subterránea son propensas a recibir y a transmitir la contaminación causada por actividades humanas y cambios en el uso del suelo. Esto quiere decir que hay partes del acuífero en la zona de estudio que son vulnerables a la contaminación. En esta tesis se realiza un análisis de la distribución espacial de los parámetros y de las condiciones en las que el agua subterránea se podría contaminar. Parece probable que la salinidad del agua subterránea se extenderá a la mayor parte de la Franja de Gaza debido a los altos niveles de extracción de agua dulce y el crecimiento rápido de la población.
2 .1. Objetivos La investigación se centra en los métodos y técnicas utilizados para modelizar y analizar el incremento en el LUCC, como fenómeno especialmente complejo en la zona de estudio, la Franja de Gaza. Para modelar los distintos escenarios de cambio de usos de suelo es imprescindible tener en cuenta las dimensiones físicas y socio económicas del LUCC y sus impactos sobre el medio ambiente.
Nuestro objetivo principal es encontrar un modelo y unas técnicas fácilmente aplicables que ayuden a los actores claves en Palestina a la toma de decisiones, ofreciéndoles distintos escenarios que puedan ser útiles en la planificación futura de la Franja de Gaza. Dentro de este marco principal, los objetivos secundarios de este estudio son: • Identificación y delineación de las distintas categorías de usos y coberturas del suelo utilizando datos obtenidos con la teledetección y las ortofotos rectificadas.
• Simulación, escenarios, modelación y previsión de LUCC en la Franja de Gaza.
• Generación de datos sobre los cambios que ya han ocurrido en la zona en varias categorías de LUCC a lo largo de distintos períodos.
• Construcción de una base de datos basada en un Sistema de Información Geográfica (SIG) para las zonas de estudio.
• Modelación y predicción de indicadores medioambientales como la vulnerabilidad del agua subterránea a la contaminación y la salinidad del agua subterránea.
• Ayuda a los actores principales a tomar decisiones sobre la gestión del uso del suelo, la planificación urbana, la situación medioambiental y los escenarios futuros para la Franja de Gaza y sus ciudadanos.
3. Zona de Estudio La Franja de Gaza ocupa una franja estrecha de la llanura costera del Mediterráneo. Mide aproximadamente 41 km de largo y de 6 a 12 kilómetros de ancho, con una superficie total de 365 km². Comparte una frontera de 12 km con Egipto al suroeste, mientras que al este y al norte está rodeada por Israel (el resto de la Franja - 51 km de fronteras). La Franja de Gaza tiene un clima templado con inviernos suaves (sobre 13ºC) y veranos cálidos con frecuentes sequías (27 - 29ºC). La precipitación media es de unos 300 mm al año (MOAg 2013). El terreno es plano u ondulado con dunas de arena cerca de la costa. En términos topográficos, la Franja de Gaza desciende gradualmente de este a oeste y la elevación sobre el mar varía desde los 110m en el este a los 10m en el oeste.
4. Metodología La tesis aborda dos temas de estudio principales. Primero, el análisis, los escenarios y el modelado de los cambios de usos y coberturas del suelo, y segundo, los impactos de estos cambios sobre el medio ambiente, en particular el estudio de la calidad del agua en la Franja de Gaza como resultado del cambio del uso del suelo, la creciente población y la disminución de las zonas dedicadas a la agricultura. El primer tema que se aborda es el análisis y modelado de los cambios de usos y coberturas del suelo (Sección 4.1.). Los resultados y las discusiones sobre este tema se presentan en los Capítulos 5 y 6: • Capítulo 5: Escenario del cambio de usos y coberturas del suelo en la Franja de Gaza utilizando la Teledetección y los SIG.
• Capítulo 6: Análisis y modelado del cambio de usos de suelo urbano: estudio del caso de la Franja de Gaza.
El segundo tema principal, los impactos de los cambios en el uso y la cobertura del suelo sobre el medio ambiente, se analiza desde dos perspectivas distintas: • La sección 4.2. presenta la metodología utilizada en el Capítulo 7 en el que evaluamos la vulnerabilidad del acuífero a la contaminación en la Gobernación de Khan Younis, Franja de Gaza—Palestina, utilizando el modelo DRASTIC dentro del SIG.
• La sección 4.3 presenta la metodología utilizada en el Capítulo 8 en el que estudiamos la eficacia de SIG como instrumento para analizar la salinidad del agua subterránea, fijándonos de nuevo en la Franja de Gaza como caso de estudio.
Parte II: Resultados y Discusión. Capítulos 5 y 6 Capítulo 5: Abuelaish B., Camacho Olmedo MT (2016). Scenario of land use and land cover change in la Franja de Gaza using Remote Sensing and GIS models, Journal: Arabian Journal of Geosciences, http://dx.doi.org/10.1007/s12517-015-2292-7 LUCC es un cambio medioambiental transcendental a nivel mundial y las proyecciones de estos cambios son esenciales a la hora de realizar cualquier evaluación del medio ambiente en el futuro. Para el año 2023 la población de la Franja de Gaza habrá alcanzado más de 2.4 millones de habitantes, y la demanda de suelo excederá por mucho su capacidad sostenible. La planificación del uso del suelo es uno de los temas más complicados y polémicos en la Franja de Gaza, dado su pequeña superficie (365 km²). El continuo crecimiento urbano e industrial redoblará la presión sobre la cobertura del suelo, a no ser que se implementen acciones apropiadas de planificación y gestión integrada de forma inmediata. Los encargados de la planificación necesitan más estadísticas y más herramientas de estimación para poder conseguir una visión de futuro basada en datos fiables. Por lo tanto este estudio combina el uso de la teledetección por satélite con sistemas de información geográfica (SIG). La base de datos espacial se desarrolla utilizando cinco imágenes Landsat recogidas en 1972, 1982, 1990, 2002 y 2013.
Seleccionamos tres modelos SIG en el software Idrisi Selva para intentar proyectar la superficie urbana total en el año 2023: Geomod, Cellular Automata Markov (CA_Markov) y Land Change Modeler (LCM). También utilizamos la estimación estadística para indicar la diferencia cuantitativa entre la regresión y la cadena Markov. Utilizamos los 3 modelos SIG para simular las probables zonas urbanas en el año 2023 en un solo escenario.
En los tres modelos los resultados muestran un cambio drástico en la cobertura del suelo y el crecimiento de la zona urbana desde 1972 a 2013 con la urbanización de zonas agrícolas. Estos modelos pueden ayudar a los responsables del uso del suelo y de la planificación de la ciudad a entender probables crecimientos futuros para así planificar mejor el desarrollo. Las zonas urbanas están creciendo de forma constante, mientras que las zonas no urbanas o agrícolas retroceden.
Los resultados de la simulación muestran la misma cantidad de zona urbana para el año 2023 en los tres modelos según las cadenas Markov, i.e. 212,3 km2 (58,3% del área total de la Franja de Gaza), aunque se podría observar varias diferencias espaciales entre las previsiones de los tres modelos para la superficie urbana en cada una de las cinco gobernaciones.
Los resultados del escenario de tendencias pasadas para la distribución espacial en 2023 señalaron ciertas diferencias entre los tres modelos SIG; hay similitudes en la asignación de zonas urbanas entre Geomod y CA_Markov, y hay diferencias en el LCM, que estimó que la expansión urbana cubrirá un 59 % de la superficie. Los tres modelos prevén que la expansión del suelo urbano ocurrirá cerca de la zona urbana existente en el año 2013. Esto tiene sentido dado que se suelen construir edificios a lo largo de las carreteras principales adyacentes a las zonas urbanas. Geomod también muestra claramente una expansión cerca de las carreteras al norte de la Franja en la zona restringida (motor “tierra de nadie”) cerca de la frontera. Observamos diferencias en la distribución espacial de todos los modelos en cada Gobernación.
El análisis de los datos refleja un aumento en la zona urbanizada desde 10,9 km2 (1972) a 25,3 (1982), 46,9 (1990), 100,2 (2002), 166,3 (2013) y 212,3 km2 (2023), la extensión media prevista para el año 2023 por todas las simulaciones (alrededor de un 58.8 % de la Franja de Gaza). Hay una correlación positiva entre la expansión urbana y el crecimiento demográfico, de tal forma que se espera también que la densidad de población en la Franja aumente desde 4661,5 en 2013 hasta 6704,3 habitantes por kilómetro cuadrado en 2023. Sin embargo como la mayoría de los gazatíes viven en las ciudades, la densidad real de población en las zonas urbanas aumentará desde 10.231,1 en 2013 hasta 11.526,4 habitantes por kilómetro cuadrado en 2023, convirtiendo la Franja de Gaza en una de las zonas más densamente pobladas del mundo. El estudio muestra una tasa anual de rápido crecimiento urbano en cada periodo de tiempo (1972–1982, 1982–1990, 1990–2002, 2002–2013 y 2013– 2023) de 1,4, 2,7, 4,4, 6, y 3,8 km2 por año. En ausencia de gestión y de planificación, el suelo agrícola (zonas no urbanas) seguirá bajando a un nivel alarmante.
Capítulo 6: Abuelaish B. (2018) Urban land use change analysis and modelling: a case study of the Gaza Strip. En: Camacho Olmedo, Maria Teresa; Paegelow, Martin; Mas, Jean-François y Escobar, Francisco J (Eds.) Geomatic approaches for modeling land change scenarios. Lecture Notes in Geoinformation and Cartography LNGC series (http://www.springer.com/series/7418) Series Editors: Cartwright, W., Gartner, G., Meng, L., Peterson, M.P. ISSN: 1863-2246. Springer Verlag. Berlin, Heidelberg, New York. ISBN: 978-3-319-60800-6, DOI: 10.1007/978-3-319-60801-3 El análisis del cambio de usos y coberturas del suelo es fundamental para poder comprender las dinámicas ecológicas producidas por actividades naturales y humanas, y también para la evaluación y previsión del cambio medio ambiental. Para el año 2023 la población de la Franja de Gaza habrá superado los 2,4 millones de personas, las cuales estarán obligados a vivir hacinadas dentro de un área muy limitada de unos 365 km². Este aumento poblacional producirá un incremento en la demanda de suelo que excederá por mucho la capacidad de aprovechamiento sostenible de este espacio. La Franja de Gaza es una región pequeña en que la planificación del uso del suelo ha ido siempre por detrás de un proceso de urbanización descontrolada. La expansión urbana y el incremento de población previstos para el futuro someterá a cualquier cobertura del suelo a incluso más presión, al no ser que se tomen de forma inmediata las decisiones necesarias de planificación y gestión integrada. Los responsables necesitan más datos y más herramientas de estimación para conseguir su visión del futuro de la Franja de Gaza en base a una información precisa y fiable.
Este estudio combina el uso de la teledetección con los sistemas de información geográfica (SIGs). La base de datos espacial se desarrolló con la información extraída de seis imágenes Landsat tomadas en 1972, 1982, 1990, 2002, 2013 y 2014, junto con varias bases de datos georeferenciadas para aquellos años. Para poder proyectar la superficie urbana en 2023, seleccionamos un modelo SIG en software Idrisi Terrset llamado Land Change Modeler (LCM). Este modelo se utiliza para analizar los cambios de usos y coberturas del suelo, modelando de forma empírica su relación con las variables explicativas y proyectando cambios futuros (Eastman 2012). Los resultados evidencian un cambio drástico en la cobertura del suelo y el crecimiento de la zona urbana entre 1972 y 2014, cuando muchas tierras agrícolas fueron urbanizadas. Este proceso ha tenido lugar de una manera poco planificada, a veces caótica, revelando de esta forma que los gestores territoriales y los responsables de planificación urbana necesitan entender el crecimiento futuro y planificar el desarrollo. A lo largo de este periodo las zonas urbanas han crecido de forma constante, mientras que las zonas no urbanas (agrícolas) han encogido en consonancia.
Utilizamos la red neuronal Multilayer Perceptron para obtener el mapa de potencial de transición para la transición de zona No Urbana a Urbana, en base a la transición real a lo largo de varios periodos de calibración (1972, 1982, 1990, y 2002) hasta 2013, y 2002 a 2014. Los sitios con un alto potencial de transición están ubicados alrededor de la zona ya construida con la densidad más alta de población (distancia corta) para los cinco escenarios.
Este estudio presenta una comparación entre seis escenarios basados en tendencias pasadas. De estos seis escenarios, seleccionamos cinco para realizar una simulación que acaba en el año 2023, utilizando el Land Change Modeler en el software Idrisi Terrset. Estos escenarios, uno de los cuales tiene en cuenta los daños causados durante la guerra del 2014, intentan cubrir las posibles variaciones en términos de superficie y distribución espacial que resultan de los cambios en el uso del suelo. Los cinco primeros escenarios son las cadenas Markov desde (1972-2013), (1982-2013), (1990-2013), (2002-2013) y (2002-2014) hasta 2023; y el sexto es la línea de regresión hasta 2023 en función de los datos básicos utilizando el método Enter. Estos escenarios daban superficies de 202,35, 204,89, 206,95, 212,32, 204,70 y 240,79 Km², respectivamente.
Los resultados globales de los cinco escenarios LCM analizan y simulan los cambios en el uso del suelo en la Franja de Gaza. Los resultados de los escenarios basados en tendencias pasadas para la distribución espacial en el año 2023 presentan tanto diferencias como similitudes en la asignación de superficie urbana. Descubrimos una relación inversa entre el área prevista para 2023 y la duración del periodo de calibración, en el sentido de que cuanto más largo fuera el periodo de calibración, más pequeño era el crecimiento previsto para la zona urbana. Las zonas urbanas previstas para el año 2023 por periodos de calibración (1972-2013), (1982-2013), (1990-2013) y (2002-2013) eran 202,35 km², 204,89 km², 206,95 km² y 212,32 km². El periodo de calibración (2002-2014), que mostró un aumento en la zona urbana a 204,7 km² para el año 2023 es un poco excepcional debido al hecho que incluye la guerra del 2014.
Los resultados para los periodos de calibración 2002-2013 y 2002-2014 tienen una alta “bondad de ajuste”, porque ambos obtuvieron valores cercanos al valor obtenido del análisis de regresión (240,79) utilizado para medir los valores estadísticos de mejor ajuste (best-fit values), mientras que los valores ofrecidos por los otros escenarios distaban bastante más del valor obtenido del análisis de regresión.
A la hora de predecir el porcentaje del área total de la Franja de Gaza que estará urbanizada en el año 2023, los escenarios ofrecen cifras de entre 56,21 y 58,98%. El análisis de los datos muestra un aumento de la zona urbana desde 10,9 (1972) a 25,3 (1982), 46,9 (1990), 100,2 (2002), 166,3 (2013) y una media para los cinco escenarios de 206,24 km² en 2023, la superficie media prevista por las varias simulaciones para la Franja de Gaza entera (sobre 57,13% del total). La caída prevista en zonas agrícolas (Zonas No Urbanas) es el resultado de un aumento de la tasa de crecimiento demográfico y una falta de gestión y planificación para el futuro.
Este estudio muestra el incremento en la tasa de crecimiento de la zona urbana como porcentaje de la superficie total de la Franja de Gaza para cada periodo de tiempo (1972-1982), (1983-1990), (1991-2002), (2003-2013), 2014 y (2015-2023), con tasas de 0,40, 0,7584, 1,35, 1,83, -0,39 y 1,44% de 1972 a 2023, lo cual implica una relación positiva con la tasa de crecimiento demográfico.
Este estudio intenta responder a varias preguntas sobre el futuro de la Franja de Gaza y sus impactos sobre el medio ambiente. Esta información es útil para los gestores y los políticos, que a menudo se enfrentan a preguntas sobre la complicada situación de la Franja de Gaza, como resultado de sus recursos económicos debilitados y la falta de apoyo de países donantes preocupados por otros conflictos como el de Siria. La mayoría de las casas destruidas durante la guerra pertenecen a gente humilde que están esperando el apoyo financiero necesario para su reconstrucción. Muchas zonas urbanas fueron destruidas durante la guerra y el proceso de reconstrucción será bastante más difícil sin ejercicios de modelado como el que hemos presentado en este estudio.
Parte III: Resultados y Discusión. Capítulos 7 y 8 Capítulo 7 AlHallaq, A.H., and Abuelaish, B. (2012) Assessment of aquifer vulnerability to contamination in Khan Younis Governorate, Gaza Strip—Palestine using the DRASTIC model within GIS environment. Arab J Geosci 5:833–847, doi:10.1007/s12517-011-0284-9 El agua subterránea es un recurso natural de vital importancia en la Gobernación de Khan Younis (la zona de estudio) para el suministro de agua y el desarrollo de la zona. A lo largo de la historia los acuíferos en la Gobernación de Khan Younis han sido explotados sin preocupación alguna por el impacto medio ambiental. Dada la importancia de la calidad del agua subterránea, se podría esperar que la protección del acuífero para así evitar la degradación del agua subterránea fuese un tema prioritario. Sin embargo no ha sido así. A largo plazo la protección de los recursos de agua subterránea tiene un sentido práctico muy directo, porque una vez que se ha permitido la contaminación del agua subterránea, la escala y persistencia de esta contaminación hace que la restauración sea un proceso técnicamente difícil y costoso. Para poder mantener el acuífero como una fuente de agua para la zona, es necesario averiguar si ciertos sitios dentro de esta cuenca de agua subterránea son susceptibles de recibir y transmitir la contaminación. Este estudio pretende: (1) evaluar la vulnerabilidad del acuífero en la Gobernación de Khan Younis a la contaminación, (2) descubrir qué partes del acuífero son más vulnerables, y (3) ofrecer un análisis espacial de los parámetros y condiciones bajo los cuales el agua subterránea pueda ser contaminada. Con estos fines en mente, aplicamos el modelo DRASTIC dentro de un entorno de Sistema de Información Geográfica (GIS). El modelo utiliza siete parámetros medioambientales: profundidad del nivel freático, recarga neta, litología del acuífero, tipo de suelo, topografía, impacto de la zona no saturada y conductividad hidráulica para poder evaluar la vulnerabilidad del acuífero. En base a este modelo y utilizando el software ArcGIS 9.3, intentamos crear mapas de vulnerabilidad para la zona de estudio.
Según el índice para el modelo DRASTIC, el estudio muestra que en la parte occidental de la zona de estudio la vulnerabilidad a la contaminación varía entre alta (en un 26,16% de la superficie total) y muy alta (en un 3,14% del área total), debido a que en esta zona el nivel freático es poco profundo con un potencial de recarga entre moderado y alto, y suelos permeables. En el este y sureste de la Gobernación, la vulnerabilidad a la contaminación es moderada (43,44%). En la parte central y oriental, la vulnerabilidad a la contaminación es baja (27,24% de la superficie total) debido a la profundidad del nivel freático. El Modelo DRASTIC también señala que el riesgo más acuciante de contaminación del agua subterránea en la zona de estudio es por el tipo de suelo.
El impacto de la zona no saturada, la profundidad del nivel freático y la conductividad hidráulica ofrecen riesgos moderados de contaminación, mientras que la recarga neta, la litología del acuífero y la topografía son factores de poco riesgo. El coeficiente de variación indica que la topografía aporta mucho a las variaciones en el índice de vulnerabilidad. La profundidad del nivel freático, y la recarga neta hacen aportaciones moderadas, mientras que el impacto de la zona no saturada, la conductividad hidráulica, el tipo de suelo y la litología del acuífero son los parámetros menos variables. La baja variabilidad de los parámetros implica una menor aportación al índice de vulnerabilidad a lo largo y ancho de la zona de estudio. Además, los pesos “efectivos” de los parámetros DRASTIC obtenidos en este estudio mostraban alguna desviación de los pesos “teóricos”. El tipo de suelo y el impacto de la zona no saturada eran los parámetros más efectivos en la evaluación de vulnerabilidad porque sus pesos “efectivos” medios eran más altos que sus respectivos pesos “teóricos”. Para la profundidad del nivel freático los pesos “efectivos” y “teóricos” eran iguales, mientras que el resto de los parámetros exhibían pesos “efectivos” más bajos que sus correspondientes pesos “teóricos”. Esto explica la importancia del tipo de suelo y del impacto de la zona no saturada en el modelo DRASTIC. Por lo tanto es importante conseguir información precisa y detallada sobre esto dos parámetros específicos. La técnica SIG ofrece un entorno eficiente para el análisis y es capaz de manejar grandes cantidades de datos espaciales. Los resultados muestran que el modelo DRASTIC ha sido una herramienta útil que podría ser aprovechado tanto por las autoridades como por los tomadores de decisiones, sobre todo en las zonas agrícolas donde se aplican los productos químicos y pesticidas más propensos a contaminar los recursos de agua subterránea.
Capítulo 8 Abuelaish B., Camacho Olmedo MT (under review) GIS as a tool to analyze groundwater salinity: the Gaza Strip as a case study La Franja de Gaza sufre un problema agudo en cuanto a la calidad y cantidad de sus aguas. El agua subterránea se utiliza para beber, para usos agrícolas y también para procesos industriales. La salinidad del agua subterránea en la Franja de Gaza va en aumento. La causa principal de este problema es la intrusión de agua salada del mar. Se utiliza un electrodo selectivo de iones de cloruro como indicador de la salinidad para el análisis y modelado de la salinidad del agua subterránea en la Franja de Gaza para el año 2023. Nuestra investigación se basa en tres modelos para la previsión de la concentración del cloruro en el agua subterránea: Regresión lineal, Regresión Múltiple y Previsión para el año 2023.
En la Franja de Gaza las aguas subterráneas son una fuente importante de agua dulce para usos domésticos y para riego. La calidad del agua subterránea depende de la formación geológica y también de las actividades antropogénicas, por ejemplo, cambios en los usos del suelo, urbanización, la agricultura intensiva irrigada, actividades de minería, los vertidos en los ríos de aguas residuales no tratados, la falta de gestión racional, etc. (Voudouris, 2009). La contaminación del agua subterránea debido a las actividades humanas supone un grave riesgo para la salud pública.
Este estudio ilustra las concentraciones de cloruro en el agua subterránea dentro de seis transectos para 1993, 2003 y 2013. Analiza exclusivamente las zonas urbanas y con este fin se eliminan las zonas no urbanas. La concentración de cloruro en el agua subterránea en toda la Franja de Gaza se clasificó en seis clases para los años 1972, 1982, 1993, 2003 y 2013. La simulación de las concentraciones de cloruro para 1993, 2003 y 2013 (dentro de la zona urbana para 2013) demuestra que la concentración de cloruro ha aumentado claramente a lo largo de los años sobre todo en las zonas urbanas. En todos los transectos hay una correlación positiva con la expansión de las zonas urbanas. Se detectaron concentraciones de cloruro más altas en las zonas urbanas en el año 2013 que en los años anteriores (1993 y 2002).
Hay algunas diferencias entre los tres modelos (Regresión Lineal, Regresión Lineal Múltiple y Previsión) en los resultados simulados para las concentraciones de cloruro previstas para el año 2023, que se clasifican en seis clases. Los perfiles de concentración de cloruro muestran que la concentración de cloruro en el agua está aumentando y expandiendo en todos los transectos.
El resultado para los tres modelos demuestra que la salinidad del agua aumentará en todas las zonas de la Franja de Gaza para el año 2023. El análisis visual de los transectos se basa en los perfiles del análisis de los datos sobre el agua, que describen como el nivel de cloruro ha seguido subiendo en toda la Franja de Gaza a lo largo de dos distintos periodos de tiempo entre 1972 y 2023. La subida en la concentración de cloruro es evidente en toda la Franja de Gaza en los tres modelos. La tendencia de expansión de oeste a este debido a la entrada de agua salada del mar también se ve claramente en todos los transectos.
El cálculo de los valores de la Raíz del Error Cuadrático Medio (RECM) como potencia predictiva muestra que la Regresión Lineal Múltiple tiene un valor de 1631,723, seguido por Previsión con 1656,9, y Regresión Lineal con 1668,3. Por lo tanto, según la RECM, la Regresión Lineal Múltiple es el mejor modelo de nuestro estudio, seguido por el Modelo de Previsión y el Modelo de Regresión Lineal en segunda y tercera posición. Cuando se utiliza el método paso a paso (stepwise) en la Regresión Lineal Múltiple en SPSS, los pozos están afectados de forma más o menos intensa por todas las variables introducidas; la variable más efectiva es el año, con una cifra de aproximadamente 45%, mientras que la cifra para población es de 35 %, producción 10 %, precipitación 10 % y nivel de agua 10%.
Los datos introducidos y obtenidos para la concentración de cloruro desde 1972-2013 hasta 2023 representan los cambios muy severos ocurridos en la Franja de Gaza. Este aumento en la concentración de cloruro es evidente en toda la Franja de Gaza. Para el año 2023 la parte de la Gobernación del Norte en lo cual la concentración de cloruro está por debajo de 250 mg/L y por lo tanto se considera libre de salinidad será sólo una pequeña fracción (menos de un 10%) de la Franja de Gaza.
El análisis de la intrusión de agua del mar dentro de los transectos muestra que este problema se repite a lo largo del litoral y se extiende desde el Mar Mediterráneo hasta la parte oriental de la Franja de Gaza.
En este estudio, un escenario muestra un aumento en la concentración de cloruro como indicador de la salinidad en el año 2023. Otro escenario contempla la construcción de una gran planta desaladora en la Franja de Gaza. La UE ha invertido 10 millones de euros durante esta fase y en cuanto la planta esté en pleno funcionamiento, producirá 6.000 m3 de agua potable cada día, suministrando agua potable fiable a más de 75.000 palestinos —aproximadamente 35.000 personas en Khan Younis y 40.000 personas en Rafah, en la parte sur de la Franja de Gaza. El comisario europeo Johannes Hahn anunció financiación adicional de 10 millones de euros para la segunda fase del proyecto que comenzaba a mediados de junio de 2016, y se espera que se complete en 36 meses. Entonces la planta producirá un total de 12.000 m3 de agua potable segura cada día (IMEMC, 2016). El aumento anual en la demanda de agua en la Franja de Gaza es de 2.240.437 m3 por año desde 2016 a 2023. Por lo tanto la planta desaladora financiada por la UE ayudará a reducir la escasez de agua potable. Si la planta funciona según lo previsto, producirá unos 4.380.000 m3 por año después de 36 meses.
Conclusiones y perspectivas Conclusiones La tesis identifica los motores clave detrás del LUCC en la Franja de Gaza, y de esa forma ofrece una mejor comprensión de las distintas opciones para la expansión del suelo urbano. Estos motores incluyen la población, aspectos socioeconómicos, la situación política y la ocupación israelí. También explora el impacto de la expansión urbana sobre aspectos medioambientales tales como la calidad del agua y el cambio climático.
De la tesis se puede llegar a las siguientes conclusiones principales: • Alrededor del 57.13 al 58.8% de la Franja de Gaza será suelo urbano en el año 2023.
• Hay diferencias entre la distribución espacial de la zona urbana producida por cada modelo (Geomod, CA_Markov y LCM).
• Hay una relación inversa entre la superficie urbana prevista para 2023 y la duración del periodo de calibración, un hecho comprobado utilizando cinco escenarios y el Land Change Modeler en el Capítulo 6.
• La urbanización de la Franja de Gaza está aumentando de forma acelerada debido al crecimiento natural de la población. Este hecho aumenta la presión sobre las zonas agrícolas, lo cual provoca la erosión del suelo y empeora la calidad y la cantidad del agua.
• La expansión urbana dispersa se ha incrementado a través del tiempo en detrimento del suelo agrícola, debido sobre todo al aumento en la población.
• Un aumento en el suelo agrícola en la Franja de Gaza aumentaría la presión sobre los recursos naturales y contribuiría al cambio climático a nivel local y mundial.
• Los responsables de la planificación urbana deberían tener en cuenta que las tres mayores zonas urbanas se van a fundir en una en un futuro próximo cercano, y que la población debería alojarse cada vez más en construcciones verticales para así reducir la expansión urbana.
• La Franja de Gaza puede hacer su parte para mitigar el cambio climático y tiene la capacidad para adaptar la cobertura del suelo en su territorio.
• La expansión urbana afecta a la calidad y a la cantidad del agua disponible, a la calidad del aire, a la gestión de la zona costera y al medio ambiente marino. Dentro de la ciudades, la forma en que crecen las ciudades es un factor determinante en la vulnerabilidad de los habitantes de las ciudades al estrés medioambiental (Güneralp y Seto, 2008) • Los responsables de la planificación urbana y otros actores que toman decisiones en este ámbito deben tener en cuenta el riesgo de contaminación del agua subterránea en aquellas zonas del acuífero identificadas como vulnerables. Nuestros resultados demuestran que el modelo DRASTIC model puede ser una herramienta útil para las autoridades locales y para la entidad responsable de la gestión de las aguas subterráneas.
• La salinidad del agua subterránea ha incrementado en toda la Franja de Gaza debido al crecimiento demográfico acelerado y la expansión urbana que conlleva. Es probable que este problema de salinidad seguirá extendiéndose y en el año 2023 afectará a la gran mayoría de las zonas de la Franja de Gaza.
• Este estudio puede ser de ayuda para las personas que tienen que tomar decisiones en ámbitos como el uso del suelo, la planificación urbana, la situación medioambiental y los escenarios futuros para Gaza.
Perspectivas Este estudio pretende ser un punto de partida para otros investigadores en el ámbito del cambio de usos y coberturas del suelo. Recomendamos que los estudios futuros sobre la Franja de Gaza se centren sobre todo en los siguientes temas de investigación: • La identificación de las zonas más propensas a la expansión urbana, para ofrecer más ayuda a los gestores del medio ambiente y de la planificación que quieren evaluar los impactos de este fenómeno. • Utilizar imágenes de satélite de alta resolución para obtener datos muy precisos para el seguimiento y análisis, los escenarios, el modelado y la proyección de LUCC y otros indicadores medio ambientales para la Franja de Gaza.
• Los responsables de la planificación urbana y otros actores clave deberían formular un plan estratégico para evitar el declive de las tierras agrícolas.
• Actualización y mejora de la base de datos LUCC SIG como parte de la recogida periódica de datos.
• Para poder asegurar desarrollos urbanos sostenibles, una Evaluación del Impacto Ambiental (EIA) debería ser obligatoria en todos los proyectos futuros en la Franja de Gaza, para así reducir los impactos medio ambientales negativos.
• En el futuro, la investigación debe tener en cuenta todas estas limitaciones y aplicar un planteamiento avanzado de modelado que permitirá previsiones a largo plazo. • Estudios futuros deberían intentar identificar los impactos de los cambios de usos y coberturas del suelo sobre el cambio climático y otros aspectos medio ambientales como la contaminación del aire, la erosión costera relacionada con los puertos, las islas de calor en las ciudades, la caída en la flora y fauna, en la capacidad y productividad de la tierra, etc.
Bibliografía La lista de referencias contiene la información bibliográfica sobre cada fuente citada en esta tesis. Los materiales de investigación no están incluidos en la lista de referencias, pero sí aparecen en las secciones que tratan sobre los datos, fuentes y métodos de la investigación. La lista de referencias se presenta por orden alfabético del apellido del autor, año, título del artículo y editorial.
Anexos El Anexo I incluye un análisis del Factor de impacto y la calidad de las aportaciones (Capítulo 7, Capítulo 5. Capítulo 6).
El Anexo II analiza la aportación de la Franja de Gaza al cambio climático (emisiones de CO2).
- English
This submission for “Grouping of Research” or “PhD by Publication” includes four studies of land use change in the Gaza Strip (Palestine) and its impact on the environment in this region. According to the regulations of the University of Granada, a doctoral thesis can consist of “grouping of research” presented in the form of a report on the research articles published by the doctoral student in academic journals or in relevant scientific circles in their field of knowledge.
The recommendation of the Doctorate Advisory Board is that those PhD students using this format should include a minimum of three articles and a report about the impact factor of the submitted publications. I have so far produced 4 pieces of research that have either been published or are in the process. Two studies (Chapter 5 and Chapter 7) were published in the Arabian Journal of Geosciences – Journal Citation Report (JCR) 1.224. Of these, Chapter 5 was cited by one article and Chapter 7 was cited by 30 articles and one book chapter according to Google Scholar. I have also written a book chapter (Chapter 6 - in press 2018), and another article (currently under review - Chapter 8). In line with the regulations of the University of Granada on the sections that this kind of thesis must contain, we begin by presenting a summary of the thesis. This is followed by Part I which is divided into 4 chapters: Chapter 1, which presents the background and Literature Review, concepts, and thesis structure, Chapter 2 which sets out the Hypothesis and Objectives. Chapter 3, which describes the study area, focusing on the natural features of the Gaza Strip, its population, socio-economic status, land use change in recent decades, the contribution of the Gaza Strip to climate change, transportation and the political situation. Chapter 4 explains the methodology used in the four articles.
Part II has two chapters (an article - Chapter 5 and a book chapter - Chapter 6) that set out the results and discussions of the methodology presented in Chapter 4. Part III contains two chapters: one published article (Chapter 7) and one article under review (Chapter 8). This is followed by the discussion and the overall conclusions and perspectives of the thesis. The thesis ends with two Annexes: Annex I – Impact factor and quality analysis of contributions (Chapter 7, Chapter 5. Chapter 6). Annex II - CO2 emissions in the Gaza Strip.
1. Introduction The Gaza Strip has been a theatre of conflict for decades. Each of these conflicts has left its mark, and a significant environmental footprint has developed in the Gaza Strip over time (UNEP 2009). The population growth rate and the urban expansion it drives affect the whole region. In general people prefer to live close to the urban facilities and infrastructures, usually found in the center of the residential areas, and to avoid the dangerous areas. The Gaza Strip has been directly involved in many wars, most recently in 2008, 2012 and 2014. The 2014 war was the most destructive in terms of buildings and infrastructure. The Israeli offensive against the Gaza Strip was launched on 8th July and continued until 26th August 2014. It left devastation all across this region, ranging from damage to complete destruction of thousands of homes. Post-war reconstruction is likely to exacerbate the normal urban growth rate, so placing a greater burden on this already congested country.
Land use and land cover in the Gaza Strip is subject to increasing pressure from population growth, which is leading to the depletion and degradation of already impacted environmental features such as water, land and natural resources. These can also have direct consequences for public health.
Understanding, predicting and analyzing land use and cover change is enormously important for future planning. One of the major factors affecting land use in the Gaza Strip is rapid population growth, one of the most significant issues in Palestinian society today. According to the Palestinian Central Bureau of Statistics (PCBS), with the recent growth rates of 3.44% in mid-2013, and 3.41% in mid 2014 (PCBS 2014) the population of the Gaza Strip will have grown to over 2.4 million by 2023. This area already has one of the highest population densities in the world with an estimated 3,956 persons/ km² in 2006. The population growth rate and the urban expansion it drives affect the whole region. This figure is even higher in the Gaza Governorate (around 6,834 persons / km²) where most of the population is concentrated. Another serious problem in Gaza is urban sprawl. The number of housing units in the Gaza Strip increased from 116,445 in 1997 to 147,437 in 2007 (PCBS 2012). Many human and natural factors have increased pressure on land use in this region, resulting in deteriorating quality and quantity of land (Abuelaish and Camacho 2016). Urbanization leads to increasing pressure on natural ecosystems (Taubenbock et al. 2012, Haas and Ban 2014) and brings with it soil, water and air pollution (Duh et al. 2006, Ren et al. 2003).
Land use and land cover change (LUCC) is a key driver of global environmental change and has important implications for many national and international policy issues (Nunes and Auge 1999; Lambin 2001) indicating that the impacts of land use and land cover change are critical to many government programmes. Documenting the rates, driving forces and consequences of change is therefore vital. Land use/land cover change is often related to land planning, food watch and urban growth (Paegelow and Camacho, 2008). In developing countries, urban sprawl is worsened by the lack of land-use planning (Jat et al. 2008; Bayramoglu and Gundogmus 2008; Han et al. 2009; Biggs et al. 2010; Lee and Choe 2011).
2. Hypothesis and Objectives 2 .1. Hypothesis The main hypothesis of this research is that the normal urban growth rate in the Gaza Strip, which results in particular from urban development and agricultural conversion, is strongly influenced by the dynamic changes in the political situation. The inherent instability of this situation makes it very difficult to assess the rate of land use and land cover change (LUCC) in the Gaza Strip. Models were therefore set up to evaluate changes in different land use and land cover data over various periods, as a function of the changes in the political situation. These models can be tested empirically to enable us to make predictions and evaluate scenarios for the future of the Gaza Strip, considering all non-urban areas as agricultural areas. Our secondary hypothesis deals with the impacts of land change on the environment. The groundwater basin is prone to receive and transmit contamination caused by human activities and land changes. This means that there are parts of the aquifer in the study area that are vulnerable to contamination. We carry out a spatial distribution analysis of the parameters and conditions under which the groundwater could be contaminated. The salinity of the groundwater seems likely to expand to most of the Gaza Strip due to high levels of fresh water extraction and high population growth.
2 .2. Objectives The research focuses on the methods and techniques for modeling and analyzing land use and cover growth. This is a complex phenomenon especially in our case study area in the Gaza Strip. Urban development involves change, growth and decline. Modelling land change scenarios must necessarily include the physical and socioeconomic dimensions of land change and its impacts on the environment.
The main objective is to find a model and easily applicable techniques to help the decision- makers and other key stakeholders in Palestine by offering different scenarios for the future planning of the Gaza Strip within the framework of the following broad objectives of this study: • Identification and delineation of different land use and land cover categories using remote sensing data and rectified aerial photographs.
• Simulation, scenarios, modeling and prediction of land use and land cover in the Gaza Strip.
• Generation of data regarding the changes that have taken place in the area in various land use and land cover categories over different periods.
• Building a GIS database for the study areas.
• Modeling and prediction of environmental indicators such as the vulnerability of groundwater to pollution, and the salinity of the groundwater.
• Helping decision-makers take decisions on land-use management, city planning, the environmental situation and future scenarios for Gaza and its people.
3. Study Area The Gaza Strip is a narrow area on the Mediterranean coastal plain. It is approximately 41 km long, and from 6 to 12 km wide, with a total area of 365 km². It shares a 12 km border with Egypt to the southwest and is surrounded by Israel to the east and north (the rest of the Strip - 51 km of borders), as shown in Figure 3.1. The Gaza Strip has a temperate climate, with mild winters (about 13ºC) and hot summers with frequent droughts (high 20s ºC). Average rainfall is about 300 mm a year (MOAg 2013). The terrain is flat or rolling, with dunes near the coast. In terms of topography the Gaza Strip slopes gradually downwards from east to west with the land surface elevation varying between 10 m above sea level in the west to 110 m above sea level in the east.
4. Methodology This thesis addresses two main practical research questions. First, land change analysis, scenarios and modelling and second, land change impacts on the environment within a study of water quality in the Gaza Strip as a result of land change, increasing population and a fall in agriculture areas. The first question addressed is that of land change analysis and modelling (Part 4.1). The results and discussions of our research on this question are set out in Chapters 5 and 6: Chapter 5: Scenario of land use and land cover change in the Gaza Strip using Remote Sensing and GIS model, • Chapter 6: Urban land use change analysis and modelling: a case study of the Gaza Strip.
The second main issue, namely the impacts of land change use on the environment is analyzed from two different perspectives: • Part 4.2 shows the methodology used in Chapter 7 in which we assess the vulnerability of the aquifer to contamination in Khan Younis Governorate, Gaza Strip—Palestine, using the DRASTIC model within GIS.
• Part 4.3 shows the methodology used in Chapter 8 in which we study the efficacy of GIS as a tool for analyzing groundwater salinity, once again looking at the Gaza Strip as a case study.
Part II: Results and Discussion. Chapters 5 and 6 Chapter 5: Abuelaish B., Camacho Olmedo MT (2016). Scenario of land use and land cover change in the Gaza Strip using Remote Sensing and GIS models, Journal: Arabian Journal of Geosciences, http://dx.doi.org/10.1007/s12517-015-2292-7 Land use and land cover change is a major global environmental change issue, and projecting changes are essential for the assessment of the environment. The population of the Gaza Strip will have grown to over 2.4 million inhabitants by 2023, and the land demands will exceed the sustainable capacity of land use by far. Land use planning is one of the most difficult issues in the Gaza Strip given that this area is too small. Continuous urban and industrial growth will place additional stress on land cover, unless appropriate integrated planning and management actions are instituted immediately. Planners need further statistics and estimation tools to achieve their vision for the future based on sound information. Therefore, this study combines the use of satellite remote sensing with geographic information systems (GISs). The spatial database is developed by using five Landsat images gathered in 1972, 1982, 1990, 2002 and 2013.
Three GIS models in Idrisi Selva software were selected to try to project the urban area in 2023: Geomod, Cellular Automata Markov (CA_Markov) and Land Change Modeler (LCM). We also used statistical estimation using the regression function to highlight the quantitative difference between the regression and the Markov chain. The three GIS models were used to simulate likely urban areas in 2023 in a single scenario.
The results showed a drastic change in land cover and the growth of the urban area from 1972 to 2013 in all three models, while the agricultural areas were converted into urban areas. These models can help land use managers and city planners to understand probable future growth and plan further developments. Urban areas are continuously increasing in time, whereas non-urban or agricultural areas are receding.
The results of the simulation showed the same quantity of urban area by 2023 in all three models according to the Markov chains, i.e. 212.3 km2 (58.3% of the total area of the Gaza Strip), although spatial differences could be observed between the forecasts made by the three models for the urban area in each of the five governorates.
The results of the past trend scenario for spatial distribution in 2023 highlighted certain differences between the three GIS models; there are similarities in the allocation of urban area, in both Geomod and CA_Markov, and there are differences in LCM, which found that urban expansion will cover 59 % of the area. The urban expansion predicted in the three models tends to be located near the urban area for 2013. This clearly makes sense given that buildings are usually constructed and money is usually invested around main roads adjacent to urban areas. Geomod also shows clear expansion near the roads in the north of the Strip in the restricted area (buffer zone driver) near the border. We observed differences in the spatial distribution of all the models in each Governorate.
The data analysis shows an increase in the urbanized area from 10.9 km2 (1972) to 25.3 (1982), 46.9 (1990), 100.2 (2002), 166.3 (2013) and 212.3 km2 (2023), the average area predicted by all the simulations for the whole of the Gaza Strip (around 58.8 % of the total). Urban expansion is positively correlated with population growth, such that the density of population in the Gaza Strip is also expected to increase from 4661.5 in 2013 to 6704.3 inhabitants per square kilometre in 2023. However, as most Gazans live in the cities, the actual density of population in urban areas will rise from 10,231.1 in 2013 to 11,526.4 inhabitants per square kilometre in 2023, making the Strip one of the most densely populated areas in the world. The study shows a rapid annual urban growth rate in each time period (1972–1982, 1982–1990, 1990–2002, 2002–2013 and 2013– 2023) of 1.4, 2.7, 4.4, 6, and 3.8 km2 per year. In the absence of management and planning, agricultural land (non-urban area) cover will therefore continue to decline at an alarming rate.
Chapter 6: Abuelaish B. (2018) Urban land use change analysis and modelling: a case study of the Gaza Strip. In: Camacho Olmedo, Maria Teresa; Paegelow, Martin; Mas, Jean-François and Escobar, Francisco J (Eds.) Geomatic approaches for modeling land change scenarios. Lecture Notes in Geoinformation and Cartography LNGC series (http://www.springer.com/series/7418) Series Editors: Cartwright, W., Gartner, G., Meng, L., Peterson, M.P. ISSN: 1863-2246. Springer Verlag. Berlin, Heidelberg, New York. ISBN: 978-3-319-60800-6 DOI: 10.1007/978-3-319-60801-3 The analysis of land use and land cover change is of prime importance for understanding the ecological dynamics resulting from natural and human activities, and for the assessment and prediction of environmental change. The population of the Gaza Strip will have grown to more than 2.4 million by 2023 all of whom are forced to live within an area of some 365 km². This growth in population will lead to an increase in land demand, and will far exceed the sustainable land use capacity. The Gaza Strip is a relatively small area in which land use planning has not kept up with land development. Continued urban expansion and population growth in the future will place additional stress on land cover, unless appropriate integrated planning and management decisions are taken immediately. Decision-makers need further statistics and estimation tools to achieve their vision for the future of the Gaza Strip based on sound, accurate information.
This study combines the use of satellite remote sensing with geographic information systems (GISs). The spatial database was developed by using six Landsat images taken in 1972, 1982, 1990, 2002, 2013 and 2014, together with different geodatabases for those years. In order to project the urban area in 2023, we selected a GIS model in IdrisiTerrset software called the Land Change Model (LCM). This model is used to analyse land cover change, empirically modeling its relationship to explanatory variables and projecting future changes (Eastman 2012). The results showed a drastic change in land cover and the growth of the urban area between 1972 and 2014, when many agricultural areas were urbanized. This has happened in a largely unplanned, somewhat chaotic fashion, so revealing the need for land-use managers and city planners to understand future growth and plan further developments. Over this period urban areas have grown continuously, whereas non-urban (agricultural) areas have shrunk at similar rates.
The MLP Neural network was used to obtain the transition potential map for the transition from Non-Urban to Urban area, based on the real transition over the various calibration periods (1972, 1982, 1990, and 2002) to 2013, and (2002) to 2014. The high transition potential values are located around the built-up area with the biggest population density (low distance) for the five scenarios.
The study shows a comparison between six past trend scenarios. Five past trend scenarios were selected for simulation to be completed by the year 2023 using the Land Change Modeler in the IdrisiTerrset software. These different scenarios, one of which takes into account the damage incurred during the 2014 War, try to cover the possible variations in area and spatial distribution resulting from changes in land use. The first five scenarios are the Markov chains from (1972-2013), (1982-2013), (1990-2013), (2002-2013) and (2002-2014) to 2023; and the sixth one is the regression line to 2023 depending on the basic data using the Enter method, which gave areas of 202.35, 204.89, 206.95, 212.32, 204.70 and 240.79 Km², respectively.
The overall results of the five LCM scenarios analyse and simulate land-use changes in the Gaza Strip. The results of the past trend scenarios for spatial distribution per area in 2023 presented both differences and similarities in the allocation of urban area. We discovered an inverse relationship between the predicted area by 2023 and the length of the calibration period, in that the longer the calibration period the smaller the growth in urban area predicted. The urban areas for 2023 predicted by the calibration periods (1972-2013), (1982-2013), (1990-2013) and (2002-2013) were 202.35 km², 204.89 km², 206.95 km² and 212.32 km². The calibration period (2002-2014), which showed an increase in urban area to 204.7 km² by 2023, is slightly exceptional due to the fact that it includes the 2014 War.
The results for calibration periods 2002-2013 and 2002-2014 have a high “goodness of fit”, because they both obtained values close to the regression analysis value (240.79) used to measure statistical best fit values, while the values for the other scenarios were substantially further away from the regression analysis value.
As a percentage of the total area of the Gaza Strip, the scenarios predict that between 56.21 and 58.98% will be urbanized by 2023. The data analysis shows an increase in the urban area from 10.9 (1972) to 25.3 (1982), 46.9 (1990), 100.2 (2002), 166.3 (2013) and an average over the five scenarios of 206.24 km² in 2023, the average area predicted by the various simulations for the whole Gaza Strip (i.e. around 57.13% of the total). While the decrease in Agricultural areas (Non-Urban Area) was caused by an increase in population growth rate and a lack of management and future planning.
This study illustrates the increase in the rate of growth in urban area as a percentage of the total area of the Gaza Strip for each time period (1972-1982), (1983-1990), (1991-2002), (2003-2013), 2014 and (2015-2023), with rates of 0.40, 0.7584, 1.35, 1.83, -0.39 and 1.44% from 1972 to 2023, which implies a positive relationship with the rate of population growth.
This study tries to answer questions about the future of the Gaza Strip and the impacts on its environment. This information is useful for decision-makers and politicians, who are regularly faced with questions about the complicated situation in the Gaza Strip as a result of its weak economic resources, and the lack of donor support from countries concerned about other conflicts such as in Syria. Most of the houses destroyed during the war belong to poor people who are waiting for financial support to rebuild them. Many urban areas were destroyed during the war and their reconstruction would be harder without modeling exercises such as the one presented here.
Part III: Results and Discussion. Chapters 7 and 8 Chapter 7 AlHallaq, A.H., and Abuelaish, B. (2012) Assessment of aquifer vulnerability to contamination in Khan Younis Governorate, Gaza Strip—Palestine. using the DRASTIC model within GIS environment. Arab J Geosci 5:833–847, doi:10.1007/s12517-011-0284-9 Groundwater is a very important natural resource in Khan Younis Governorate (the study area) for water supply and development. Historically, the exploitation of aquifers in Khan Younis Governorate has been undertaken without proper concern for its environmental impact. In view of the importance of quality groundwater, it might be expected that aquifer protection to prevent groundwater quality deterioration would have received due attention. In the long term, however, protection of groundwater resources is of direct practical importance because, once pollution of groundwater has been allowed to occur, the scale and persistence of such pollution makes restoration technically difficult and costly. In order to maintain basin aquifer as a source of water for the area, it is necessary to find out whether certain locations in this groundwater basin are susceptible to receive and transmit contamination. This study aims to: (1) assess the vulnerability of the aquifer in Khan Younis Governorate to contamination, (2) discover which parts of the aquifer are most vulnerable, and (3) provide a spatial analysis of the parameters and conditions under which groundwater may become contaminated. To this end, we applied the DRASTIC model within a Geographic Information System (GIS) environment. The model uses seven environmental parameters: depth of water table, net recharge, aquifer media, soil media, topography, impact of vadose zone, and hydraulic conductivity to evaluate aquifer vulnerability. Based on this model and by using ArcGIS 9.3 software, an attempt was made to create vulnerability maps for the study area.
According to the DRASTIC model index, the study has shown that in the western part of the study area the vulnerability to contamination ranges between high (in 26.16% of the total area) and very high (in 3.14% of the total area), due to the relatively shallow water table with moderate to high recharge potential, and permeable soils. In the eastern and south-eastern part of this Governorate, vulnerability to contamination is moderate (43.44%). In the central and the eastern part, vulnerability to contamination is low (27.24% of the total area) due to the depth of the water table. The DRASTIC Model also indicates that the highest risk of contamination of groundwater in the study area originates from the soil media.
The impact of vadose zone, depth to water level, and hydraulic conductivity offer moderate risks of contamination, while net recharge, aquifer media, and topography are low risk factors. The coefficient of variation indicates that topography makes a high contribution to variations in the vulnerability index. Depth to water level, and net recharge make moderate contributions, while the impact of the vadose zone, hydraulic conductivity, soil media, and aquifer media are the least variable parameters. The low variability of the parameters implies a smaller contribution to the variation of the vulnerability index across the study area. Moreover, the “effective” weights of the DRASTIC parameters obtained in this study exhibited some deviation from that of the “theoretical” weights. Soil media and the impact of the vadose zone were the most effective parameters in the vulnerability assessment because their mean “effective” weights were higher than their respective “theoretical” weights. The depth of the water table showed that both “effective” and “theoretical” weights were equal. The rest of the parameters exhibit lower “effective” weights compared with the “theoretical” weights. This explains the importance of soil media and vadose layers in the DRASTIC model. It is therefore important to get accurate and detailed information about these two specific parameters. The GIS technique has provided an efficient environment for analysis and is capable of handling large amounts of spatial data. In view of these results, the DRASTIC model has proved to be a useful tool that can be used by national authorities and decision makers, especially in agricultural areas in which the chemicals and pesticides most likely to contaminate groundwater resources are applied.
Chapter 8 Abuelaish B., Camacho Olmedo MT (under revision) GIS as a tool to analyze groundwater salinity: The Gaza Strip as a case study The Gaza Strip suffers from an acute problem in terms of water quality and quantity. Groundwater is used as drinking water, for agricultural uses and in industrial processes. Salinity is increasing in groundwater in the Gaza Strip. Seawater intrusion is the main source of salinity. A chloride ion-selective is used as an indicator of salinity for the analysis and modelling of the salinity of groundwater in the Gaza Strip by 2023. Research depends on three models for prediction of the chloride concentration in groundwater: Linear regression, Multiple regression, and Forecasting for year 2023.
Groundwater is an important source of fresh water in the Gaza Strip for domestic and irrigation use. Groundwater quality is influenced by geological formation and anthropogenic activities, e.g. changes in land use, urbanization, intensive irrigated agriculture, mining activities, disposal of untreated sewage in rivers, lack of rational management, etc. (Voudouris, 2009). Groundwater contamination due to human activities may pose a severe threat for public health.
The study illustrates the chloride concentrations in the groundwater within six cross sections for 1993, 2003 and 2013. It focuses exclusively on urban areas for which purposes the non-urban areas are masked. The chloride concentration of groundwater in the whole of the Gaza Strip was classified into six classes for the years 1972, 1982, 1993, 2003 and 2013. The simulation of chloride concentrations for 1993, 2003 and 2013 (inside the urban area for 2013) demonstrates that in urban areas particularly the chloride concentration has increased clearly over the years. There is a positive relationship with the expansion of urban areas in all cross sections. Higher chloride concentrations were observed in urban areas in 2013 than in previous years in 1993 and 2002.
There are some differences in the simulated results for chloride concentrations in the three models (Forecasting Model, Linear Regression Model, and Multiple Linear Regression Model) for the year 2023, which are classified into six classes. The chloride concentration profiles show that water chloride concentration is increasing and expanding in all six cross sections.
The result for the three models showed water salinity will increase in all areas in the Gaza Strip by the year 2023. The visual analysis of the cross sections is based on the water data analysis profiles, which describe how the chloride level has continued to increase all over the Gaza Strip along the time series from 1972 to 2023. The rise in the chloride concentration is evident in the whole of the Gaza Strip in all three models. The trend of expansion from west to east due to seawater intrusion is also evident in all cross sections.
Calculation of the Root Mean Square Error (RMSE) values as predictive power shows that the Multiple Linear Regression has a value of 1631.723, followed by Forecasting with 1656.9, and then Linear Regression with 1668.3. According to RMSE, Multiple Linear Regression is therefore the best model in our study, with the Forecasting model and Linear Regression in second and third places. When the stepwise method in Multiple Linear Regression is used by SPSS, the wells are affected by all input variables at a different rate; the most effective variable is the year, around 45%, while population has a figure of 35 %, production 10 %, rainfall 10 % and water level 10%.
The data inputs and output for the chloride concentration from 1972-2013 and 2023 represent the severe changes that have taken place in the Gaza Strip. This increase in chloride concentration can be seen right across the Gaza Strip. By the year 2023 the area in the North Governorate in which the water has a chloride concentration of less than 250 mg/L and is therefore considered free of salinity will be only a small fraction (less than 10%) of the Gaza Strip.
The analysis of seawater intrusion within the cross sections shows that this problem is repeated along the coastline and spreads out from the Mediterranean Sea to the Eastern part of the Gaza Strip.
In this study, one scenario shows an increase in chloride concentration as an indicator of salinity by 2023. Another scenario involves the construction of a large desalination plant in the Gaza Strip. The EU has invested EUR 10 million during this phase which, when fully operational, will produce 6,000 m3 of potable water daily. This will provide over 75,000 Palestinians with safe drinking water—approximately 35,000 people in Khan Younis and 40,000 people in Rafah, in the southern Gaza Strip. EU Commissioner Johannes Hahn announced an additional funding of EUR 10 Million for the second phase of the desalination plant to start in mid-June 2016, which is expected to be completed within 36 months. Then the plant will produce a total of 12,000 m3 of safe drinkable water everyday (IMEMC, 2016). The annual increase in the amount of water required in the Gaza Strip is 2,240,437 m3 per year from 2016 to 2023. Hence the desalination plant will reduce the shortage of drinking water. If the EU plant works as planned, it will produce 4,380,000 m3 annually after 36 months.
Conclusion and perspectives Conclusions The thesis offers a better understanding of potential options for urban land use expansion by highlighting some of the key drivers behind LUCC in the Gaza Strip, for example population, socioeconomic drivers, the political situation and the Israeli occupation. It also explores the impact of urban expansion on environmental aspects such as water quality and climate change.
The following main conclusions can be drawn from this thesis: • Around 57.13 to 58.8% % of the Gaza Strip will be urban land by 2023.
• There are differences in the spatial distribution of the urban area produced by each model (Geomod, CA_Markov and LCM).
• There is an inverse relationship between the predicted urban area for 2023 and the length of the calibration period as tested using five scenarios and the Land Change Modeler in Chapter 6.
• Urbanization in the Gaza Strip is increasing dramatically because of natural population growth. This is placing more stress on agricultural areas, causing soil erosion and impairing water quality and quantity.
• Urban sprawl has increased over time at the expense of agricultural land, above all due to an increase in population.
• An increase in agricultural land in the Gaza Strip will put pressure on natural resources and contribute to local and global climate change.
• Urban planners should take into account that in the near future the three main urban areas will merge into one, and population should be directed to vertical construction to reduce urban expansion.
• The Gaza Strip can contribute to climate change mitigation and has the potential to adapt its land cover.
• Urban expansion affects water quality and quantity, air quality, coastal zone management, and marine environment. Within cities, the nature of urban growth is an important determinant of the vulnerability of urban dwellers to environmental stress (Güneralp and Seto, 2008) • Urban planners and decisions makers should take into account the danger of groundwater being polluted within the areas in the aquifer identified as vulnerable. Our results show that the DRASTIC model can be an effective tool for local authorities, and for the water authority responsible for managing groundwater resources.
• Groundwater salinity has extended everywhere in the Gaza Strip as a result of rapid population growth and urban expansion. Salinity is likely to continue to expand to most areas of the Gaza Strip by 2023.
• This study can help decision makers in land-use management, city planning, the environmental situation and future scenarios for Gaza.
Perspectives This study aspires to provide a starting point for other researchers on land use and land cover changes. It recommends that future studies should pay particular attention to the following research topics in the Gaza Strip: • Providing further assistance for environmentalists and planners to consider the impacts of urban land use development by identifying urban expansion. • Using high resolution satellite images to produce accurate data for monitoring and analysis, scenarios, modelling and projection of LUCC and other environmental indicators for the Gaza Strip.
• Planners and decision makers should develop a strategic plan to prevent the decline of agricultural lands.
• Updating and upgrading of the LUCC GIS database within periodic data collection.
• In order to ensure sustainable urban developments, Environmental Impact Assessment (EIA) should be carried out for all future projects in the Gaza Strip, so as to reduce negative environmental impacts.
• Future research must consider all these limitations and apply an advanced modeling approach that would enable long-term forecasting. • Future studies should focus on the impacts of land-use changes on climate change and environmental elements such as air pollution, coastal erosion related to harbours, urban heat islands, decreasing numbers of flora and fauna, land capability and productivity, etc.
References The list of references contains bibliographic information about every source cited in the thesis. Research materials are not included in the list of references, but rather in the parts of the report dealing with the research implementation, data, and methods. The list of references is generally presented in alphabetical order according to the authors’ last names, year, title of article, publisher.
Annexes (a brief description) The annexes contain two annexes that show the quality of published research articles and the contribution of the study area to climate change: Annex I - Impact factor and quality analysis of contributions (chapter 7, chapter 5. chapter 6). Annex II - CO2 emissions in the Gaza Strip.
