ΠΑΡΑΚΤΙΕΣ ΚΑΡΣΤΙΚΕΣ ΠΗΓΕΣ ΚΑΙ ΚΛΙΜΑΤΙΚΗ ΑΛΛΑΓΗ COASTAL KARST SPRINGS AND CLIMATE CHANGE

Transcript

1 ΠΑΡΑΚΤΙΕΣ ΚΑΡΣΤΙΚΕΣ ΠΗΓΕΣ ΚΑΙ ΚΛΙΜΑΤΙΚΗ ΑΛΛΑΓΗ Μαραμαθάς Α.Ι. 1, Γιαλαμάς Ι. 2 1 Σχολή Χημικών Μηχανικών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, thamar@chemeng.ntua.gr 2 Ινστιτούτο Υδατοκαλλιεργειών, Ελληνικό Κέντρο Θαλάσσιων Ερευνών, jgiala@hcmr.gr th Symposium on Oceanography & Fisheries, 29 - Proceedings, Volume Ι Περίληψη Η προβλεπόμενη από όλο και περισσότερους επιστήμονες κλιματική αλλαγή λόγω της υπερθέρμανσης του πλανήτη θα επηρεάσει αναμφισβήτητα την ποσότητα και την ποιότητα των διατιθέμενων υδατικών πόρων. Στην παρούσα εργασία διερευνάται ποσοτικά με το ντετερμινιστικό μαθηματικό μοντέλο MODKARST, η επίδραση της κλιματικής αλλαγής στις παράκτιες καρστικές πηγές που αποτελούν τον σημαντικότερο υδατικό πόρο των παραθαλάσσιων και νησιωτικών περιοχών της Ελλάδας. Ως παράδειγμα χρησιμοποιήθηκε η περιοδικά υφάλμυρη καρστική πηγή του Αλμυρού Ηρακλείου Κρήτης. Εξετάστηκε η επίδραση της μεταβολής των παραμέτρων που επηρεάζουν τους συγκεκριμένους υδατικούς πόρους (ύψος και ένταση βροχοπτώσεων, αριθμός ημερών βροχής ανά έτος, μέσο ύψος επιφάνειας θάλασσας), τόσο χωριστά όσο και σε συνδυασμό σε πιθανά σενάρια αλλαγών, με βάση τις τελευταίες προβλέψεις της επιστημονικής κοινότητας για την κλιματική αλλαγή. Τέλος διερευνήθηκε η επίδραση των παραπάνω αλλαγών στον σχεδιασμό μελλοντικών έργων αξιοποίησης. Λέξεις κλειδιά: υφαλμύρινση, υπερθέρμανση πλανήτη. COASTAL KARST SPRINGS AND CLIMATE CHANGE Maramathas A.I. 1, Gialamas I. 2 1 School of Chemistry Engineering, National Technical University of Athens, thamar@chemeng.ntua.gr 2 Institute of Aquuaculture, Hellenic Centre of Marine Research,jgiala@hcmr.gr Abstract The climate change due to planet overheating that is expected from a growing number of scientists will undoubtedly affect the quantity and the quality of the disposed water resources. In this work the influence of the climate change in the coastal karst springs, which are the most significant water resource of the seaside and island regions of Greece, was quantitatively investigated with the MODKARST deterministic mathematical model. As an example the periodically brackish karst spring of Almiros at Heraklion of Crete was used. It was examined the influence of the change of the parameters that affect the above-mentioned water resources (precipitation quantity and intensity, wet day number per year, mean sea level), separately and in combination in possible scenarios based on the last predictions of the scientific community for the climate change. In the end the influence of the above-mentioned changes in the planning of the future exploitation works was explored. Keywords: brackishness, planet overheating. 1. Εισαγωγή Η κλιματική αλλαγή λόγω υπερθέρμανσης του πλανήτη θεωρείται σήμερα από τη μεγάλη πλειοψηφία των σχετικών επιστημόνων βέβαιη (IPCC, 28). Για τη νοτιοανατολική Ευρώπη οι διάφορες ερευνητικές ομάδες προβλέπουν μείωση του ετήσιου ύψους βροχοπτώσεων από 3-45% (Giorgi et al., 24) έως και 7% (Raisanen et al., 24), αύξηση της έντασής τους (Christiensen & Christiensen, 23) και αύξηση της διάρκειας των ξηρών περιόδων με παράλληλη ελάττωση των ημερών βροχής (Polemio & Casarano, 24). Ως αποτέλεσμα των παραπάνω προβλέπεται σημαντική αύξηση της εποχικότητας της ροής των ποταμών με κάποιους ποταμούς της νότιας Ευρώπης να χάνουν μέχρι και το 8% της ροής τους το καλοκαίρι (Santos et al., 22). Επίσης προβλέπεται μείωση της τροφοδοσίας των υδροφόρων οριζόντων (Eitziger et al., 23). Όσον αφορά την άνοδο της μέσης στάθμης της θάλασσας SLR (sea level rise) αναμένεται να φτάσει στην ανατολική Μεσόγειο τα,5 εως 1m μέχρι το τέλος του 21 ου αιώνα (A. Melloul & M. Collin, 26).

2 9 ο Πανελλήνιο Συμπόσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 29 - Πρακτικά, Τόμος Ι Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η παρουσίαση της επίδρασης της κλιματικής αλλαγής στη λειτουργία της περιοδικά υφάλμυρης καρστικής πηγής του Αλμυρού Ηρακλείου Κρήτης, πού αποτελεί τυπική περίπτωση παράκτιας καρστικής πηγής της χώρας μας, με τρόπο πρακτικό έτσι ώστε να προκύψουν οδηγίες για την εξασφάλιση σε βάθος χρόνου της αειφορικής της εκμετάλλευσης. Αυτό σημαίνει ότι δόθηκε έμφαση στα σχεδιαζόμενα έργα εκμετάλλευσής της τα οποία, όπως και για τις άλλες περιπτώσεις παράκτιων καρστικών πηγών, θα πρέπει να λαμβάνουν υπ όψιν τους τις επερχόμενες αλλαγές. Επομένως ο σχεδιασμός τους θα πρέπει να βασίζεται στην πρόβλεψη της δίαιτάς τους, η οποία επιτυγχάνεται με τη χρήση μαθηματικών μοντέλων. Στην περίπτωσή μας χρησιμοποιήθηκε το μαθηματικό μοντέλο MODKARST που προσομοιώνει τη λειτουργία τέτοιων πηγών. To MODKARST έχει ήδη χρησιμοποιηθεί για την προσομοίωση της πηγής του Αλμυρού κατά το χρονικό διάστημα από το 1989 έως το Η πρόβλεψη εδώ αφορά το τέλος του 21 ου αιώνα και βασίζεται στις παραπάνω εργασίες που προβλέπουν τη μεταβολή στο ύψος των βροχοπτώσεων / έτος, τη μεταβολή στο σχέδιο και την ένταση των βροχοπτώσεων (αριθμός ημερών βροχής / έτος, με ανάλογη αύξηση του ύψους βροχής / ημέρα), καθώς και τη μεταβολή στη στάθμη της θάλασσας. Εξετάστηκε η επίδραση κάθε ενός από τους προηγούμενους παράγοντες χωριστά και στη συνέχεια εφαρμόστηκαν δύο σενάρια που το κάθε ένα περιείχε ένα συνδυασμό των παραπάνω παραγόντων (Πίν.1). Η πηγή του Αλμυρού βρίσκεται 1 χιλιόμετρα δυτικά της πόλης του Ηρακλείου σε υψόμετρο 4m και σε απόσταση 1km από τη θάλασσα. Η παροχή της κυμαίνεται από 4m 3 /sec το καλοκαίρι έως 7-8m 3 /sec το χειμώνα. Στις χαμηλές παροχές το νερό της πηγής είναι υφάλμυρο λόγω εισόδου θαλασσινού νερού στη λεκάνη της. Η περιεκτικότητα σε χλωριόντα του νερού της (που αποτελεί δείκτη υφαλμύρινσης) κυμαίνεται μεταξύ των 35ppm το χειμώνα στις ψηλές παροχές και άνω των 5ppm το καλοκαίρι στις χαμηλές παροχές. Κατά το διάστημα της προσομοίωσης ( ) η πηγή έβγαζε γλυκό νερό για 357 από τις 292 ημέρες συνολικά, δηλαδή κατά το 12,2% του συνολικού χρόνου. Από την προσομοίωση της πηγής με το μοντέλο MODKARST, αποδείχθηκε (Maramathas, 26) ότι αν ανυψωθεί τεχνητά το σημείο εξόδου του νερού της στα 22m από τα 4m στα οποία βρίσκεται σήμερα, λόγω της συνεπαγόμενης αύξησης της πίεσης του γλυκού νερού παρεμποδίζεται πλήρως η είσοδος στη λεκάνη της του θαλασσινού νερού. Η τεχνητή ανύψωση μπορεί να γίνει μέσω της κατασκευής μικρού φράγματος μπροστά από το σημείο εξόδου της. Η κατασκευή ενός τέτοιου φράγματος είναι εφικτή καθώς πλευρικές απώλειες δεν αναμένονται δεδομένου ότι δεν έχουν παρατηρηθεί καρστικές δομές από τα +4m έως και πάνω από τα +22m στον ασβεστόλιθο στην ευρύτερη περιοχή της πηγής. Άλλωστε στην περιοχή έχει ήδη κατασκευασθεί από τον FAO του ΟΗΕ στη δεκαετία του 7 μικρό φράγμα με τη βοήθεια του οποίου κατά τη διάρκεια πειράματος, ανέβηκε η στάθμη της πηγής στα +1m χωρίς καμμία πλευρική απώλεια. Το αποτέλεσμα ήταν μιά βελτίωση της ποιότητας του νερού της πηγής κατά 1% οδηγώντας στο συμπέρασμα ότι η συγκεκριμένη άνοδος ήταν ανεπαρκής

3 9 th Symposium on Oceanography & Fisheries, 29 - Proceedings, Volume Ι Πίνακας 1: Εξετασθείσες προβλέψεις κλιματικών μεταβολών και εξετασθέντα σενάρια. Κλιματικές Μεταβολές C 1 Ελάττωση ετήσιου ύψους βροχοπτώσεων κατά 3% C 2 Ελάττωση ετήσιου ύψους βροχοπτώσεων κατά 45% C 3 Άνοδος στάθμης θάλασσας,5m C Ελάττωση κατά 28% των ημερών βροχής και ανάλογη αύξηση 4 του ύψους βροχής / ημέρα βροχής C Ελάττωση κατά 41% των ημερών βροχής και ανάλογη αύξηση 5 του ύψους βροχής / ημέρα βροχής Σενάρια S 1 C 1 + C 3 + C 4 αισιόδοξο C 2 + C 3 + C 5 απαισιόδοξο S 2 2. Αποτελέσματα Με τη χρήση κατάλληλων αλγορίθμων προσαρμόστηκαν οι βροχές και η μέση στάθμη της θάλασσας της περιόδου προσομοίωσης της πηγής στις προβλέψεις του Πίνακα 1. Συγκεκριμένα για τις μεταβολές C 1 και C 2 οι βροχοπτώσεις πολλαπλασιάστηκαν με τους κατάλληλους συντελεστές. Για τη C 3 ελαττώθηκε το υψόμετρο της πηγής κατά,5m. Για τις C 4 και C 5 χωρίστηκαν οι συνεχόμενες ημέρες βροχής σε ομάδες των δύο και τριών ημερών αντίστοιχα και μεταφέρθηκαν στην ημέρα με την περισσότερη βροχή οι βροχές και των άλλων ημερών της ομάδας. Στη συνέχεια εξετάστηκε πρώτα χωριστά η επίδραση των παραγόντων C 1, C 2, C 3, C 4 και C 5, και μετά εφαρμόστηκαν τα σενάρια S 1 και S 2. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται συνοπτικά στον Πίνακα 2. Επίσης, όσον αφορά τα δύο σενάρια, φαίνονται και στις γραφικές παραστάσεις της παροχής της πηγής και της περιεκτικότητας του νερού της σε χλωριόντα συναρτήσει του χρόνου, που ακολουθούν. Τόσο στις γραφικές παραστάσεις όσο και στον Πίνακα 2 γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων με τα ισχύοντα σήμερα ώστε να διαφανεί η μεταβολή. Στον Πίνακα 3 εμφανίζεται για τα δύο σενάρια η απαιτούμενη μεταβολή στο ύψος του φράγματος. Πίνακας 2: Αποτελέσματα. Προβλ. Κλιμ. Μεταβ. μέσος αριθμός ημερών γλυκού νερού / έτος προ κλιμ. αλλαγής μετά κλιμ. αλλαγή διαφ. % μέσος ετήσιος όγκος γλυκού νερού σε εκατομύρια m 3 προ κλιμ. αλλαγής μετά κλιμ. αλλαγή διαφ. % μέσος όρος κυβικών αλμυρού νερού / ένα κυβικό γλυκού νερού προ κλιμ. αλλαγής μετά κλιμ. αλλαγή διαφ. % C 1 44, C 2 44, C 3 44,62 37, C 4 44,62 37, C 5 44, σεν. S 1 44, σεν. S 2 44,

4 9 ο Πανελλήνιο Συμπόσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 29 - Πρακτικά, Τόμος Ι Παροχή (m3/sec) /2/199 1/7/199 1/12/199 1/5/1991 1/1/1991 1/8/1992 1/1/1993 1/6/1993 1/11/1993 1/4/1994 1/2/1995 1/7/1995 1/12/1995 1/5/1996 1/1/1996 1/8/1997 Εικ. 1: Σενάριο S 1 : Το υδρογράφημα της πηγής σε σύγκριση με το σημερινό Παροχή (m3/sec) /2/199 1/7/199 1/12/199 1/5/1991 1/1/1991 1/8/1992 1/1/1993 1/6/1993 1/11/1993 1/4/1994 1/2/1995 1/7/1995 1/12/1995 1/5/1996 1/1/1996 1/8/1997 Εικ. 2: Σενάριο S 2 : Το υδρογράφημα της πηγής σε σύγκριση με το σημερινό. Πίνακας 3: Μεταβολή στο ύψος του φράγματος εκμετάλλευσης. Ύψος Φράγματος (m) Μεταβολή (m) 22 - Σενάριο S Σενάριο S ppm CL /3/199 1/9/199 1/3/1991 1/9/1991 1/9/1992 1/3/1993 1/9/1993 1/3/1994 1/3/1995 1/9/1995 1/3/1996 1/9/1996 Εικ. 3: Σενάριο S 1 : Η καμπύλη χλωριόντων της πηγής σε σύγκριση με τη σημερινή

5 9 th Symposium on Oceanography & Fisheries, 29 - Proceedings, Volume Ι 6 5 ppm CL /3/199 1/9/199 1/3/1991 1/9/1991 1/9/1992 1/3/1993 1/9/1993 1/3/1994 1/3/1995 1/9/1995 1/3/1996 1/9/1996 Εικ. 4: Σενάριο S 2 : Η καμπύλη χλωριόντων της πηγής σε σύγκριση με τη σημερινή. 3. Συμπεράσματα - Συζήτηση 1. Από τον Πίνακα 2 προκύπτει ότι τόσο η παροχή της πηγής όσο και η ποιότητα του νερού της εξαρτώνται κυρίως από το ετήσιο ύψος των βροχοπτώσεων και δευτερευόντως από την κατανομή των βροχοπτώσεων στον χρόνο και την ένταση τους (μεταβολές C 4 και C 5 του Πιν. 1). Η άνοδος της μέσης στάθμης της θάλασσας επηρεάζει λίγο την περιεκτικότητα του νερού της σε χλωριόντα και σχεδόν καθόλου την παροχή της. Εδώ θα πρέπει να αναφερθεί ότι δεν ελήφθησαν υπ όψιν τυχόν τεκτονικές κινήσεις καθώς αυτό που ενδιέφερε ήταν η επίδραση της κλιματικής αλλαγής και μόνον. 2. Στο σενάριο S η πηγή δε δίνει καθόλου γλυκό νερό κατά τη διάρκεια του έτους. Η παροχή της 1 πέφτει σημαντικά κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού και του φθινοπώρου φτάνοντας σε ελάχιστο προς το τέλος Οκτωβρίου. Η περιεκτικότητα του νερού της σε χλωριόντα δεν κατεβαίνει κάτω από τα 7ppm ενώ οι μέγιστες τιμές της παρουσιάζονται μετατοπισμένες προς την Άνοιξη (Εικ. 3). Όπως παρατηρούμε από την Εικόνα 1 οι χειμερινές μέγιστες παροχές δεν επηρεάζονται πολύ σε αντίθεση με την περιεκτικότητα του νερού της σε χλωριόντα (Εικ. 3) που εμφανίζεται σημαντικά αυξημένη στην αντίστοιχη περίοδο. Τα παραπάνω οφείλονται στο γεγονός ότι τα καρστικά υδροφόρα που εκφορτίζονται από πηγές αυτής της κατηγορίας παρουσιάζουν διπλή περατότητα μία μικρότερη οφειλόμενη στις μικρού και μεσαίου μεγέθους ρωγμές (fractures) και μία μεγαλύτερη οφειλόμενη σε μεγάλους καρστικούς αγωγούς (conduits). Κατ αντιστοιχία έχομε και δύο ροές και δύο ταχύτητες εκφόρτισης: μία μεγάλη αντίστοιχη με τις πλημυρρικές παροχές των ποταμών και μία μικρότερη αντίστοιχη με τη βασική ροή των ποταμών. Από την κλιματική μεταβολή επηρεάζεται κυρίως η δεύτερη η μικρότερη η οποία έχει κυρίως σχέση με το μηχανισμό υφαλμύρινσης της πηγής αλλά και με τις παροχές της περιόδου στείρευσης (περίοδος κατά την οποία οι πηγές δεν τροφοδοτούνται με βροχοπτώσεις). Αυτό εξηγεί τόσο το γεγονός της αύξησης της περιεκτικότητας σε χλωριόντα όσο και τη μείωση των θερινών και φθινοπωρινών παροχών. Αντίθετα η παροχή η οφειλόμενη στους μεγάλους αγωγούς δεν επηρεάζεται σημαντικά με αποτέλεσμα να μην επηρεάζονται σημαντικά και οι πλημυρρικές χειμερινές παροχές. 3. Στο σενάριο S τόσο το υδρογράφημα (Εικ. 2) όσο και η καμπύλη χλωριόντων (Εικ. 4) παρουσιάζουν τα ίδια ποιοτικά χαρακτηριστικά με το σενάριο S 1 2. Υπάρχουν όμως σοβαρές ποσοτικές διαφορές που είναι: α) η ξήρανση της πηγής προς το τέλος του Φθινοπώρου και β) μία τάση, η οποία εμφανίζεται και στο σενάριο S 1 αλλά όχι τόσο σαφώς, να παρατηρούνται χαμηλότερες περιεκτικότητες σε χλωριόντα σε σύγκριση με σήμερα, προς το τέλος του Καλοκαιριού. Το φαινόμενο αυτό που εκ πρώτης όψεως φαίνεται παράξενο καθώς συνδέεται με την πτώση της παροχής ενώ θα περίμενε κανείς το αντίθετο, εξηγείται από τη φράκταλ δομή του καρστικού υδροφόρου που τροφοδοτεί τη πηγή (Maramathas & Boudouvis, 26)

6 9 ο Πανελλήνιο Συμπόσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 29 - Πρακτικά, Τόμος Ι 4. Η κλιματική αλλαγή επηρεάζει το ύψος του προτεινόμενου φράγματος για την εκμετάλλευση της πηγής, το οποίο και στα δύο σενάρια αποδεικνύεται ότι θα πρέπει να είναι μεγαλύτερο κατά 2m από το υπολογιζόμενο σήμερα. 4. Βιβλιογραφικές αναφορές Christensen, J.H. & Christensen, O.B., 23. Severe summertime flooding in Europe. Nature, 421: Eitzinger, J., M. Stastna, Z. Zalud & Dubrovsky, M., 23. A simulation study of the effect of soil water balance and water stress in winter wheat production under different climate change scenarios. Agric. Water Manage, 61: Giorgi, F., X. Bi & Pal, J., 24. Mean, interannual variability and trend in a regional climate change experiment over Europe. II: Climate change scenarios Climate Dynamics, 23 (7-8): IPCC, Technical paper VI 28. /Climate Change and Water/. B. Bates, Z. W. Kundzewicz, S. Wu, J. Palutikof (Eds), IPCC Publications, 2pp. Maramathas, A., 26. A new approach for the development and management of brackish karst springs. Hydrogeology Journal, 14: Maramathas, A. & Boudouvis, A., 26. Manifestation and measurement of the fractal characteristics of karst Hydrogeological formations. Advances in Water Resources, 29 (1): Melloul, A. & Collin, M., 26. Hydrogeological changes in coastal aquifer due to sea level rise. Ocean and Coastal management, 29 (5-6): Polemio, M. & Casarano, D., 24. Rainfall and Drought in Southern Italy ( ). IAHS Publication, 286: Räisänen, J., Hansson, U., Ullerstieg, A., Döscher, R., Graham, L.P., Jones, C., Meier, H.E.M., Samuelson, P. & Willén, U., 24. European climate in the late twenty-first century: regional simulations with two driving global models and two forcing scenarios. Climate Dynamics, 22: Santos, F.D., Forbes, K. & Moita, R., Eds, 22. Climate Change in Portugal: Scenarios, Impacts and Adaptation Measures. SIAM Project Report, Gradiva, Lisbon, 456 pp

7