ΠΟΣΟΤΙΚΗ ΚΑΙ ΠΟΙΟΤΙΚΗ ΑΠΟΤΙΜΗΣΗ ΤΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΤΗΣ ΚΛΙΜΑΤΙΚΗΣ ΑΛΛΑΓΗΣ ΣΤΟΝ ΥΠΟΓΕΙΟ ΥΔΡΟΦΟΡΕΑ ΤΗΣ ΛΙΜΝΗΣ ΚΑΡΛΑΣ

Transcript

1 ΠΟΣΟΤΙΚΗ ΚΑΙ ΠΟΙΟΤΙΚΗ ΑΠΟΤΙΜΗΣΗ ΤΗΣ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΤΗΣ ΚΛΙΜΑΤΙΚΗΣ ΑΛΛΑΓΗΣ ΣΤΟΝ ΥΠΟΓΕΙΟ ΥΔΡΟΦΟΡΕΑ ΤΗΣ ΛΙΜΝΗΣ ΚΑΡΛΑΣ Γιώργος Τζιάτζιος, Παντελής Σιδηρόπουλος, Λάμπρος Βασιλειάδης, Γιάννης Τζαμπύρας, Άγγελος Αλαμάνος, Νικήτας Μυλόπουλος και Αθανάσιος Λουκάς Πολυτεχνική Σχολή,

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Σκοπός Περιοχή Μελέτης Μεθοδολογία Σύστημα Προσομοίωσης Αποτελέσματα Συμπεράσματα

3 Σκοπός Ολοκληρωμένο σύστημα προσομοίωσης των επιφανειακών και των υπόγειων υδάτων 6 αριθμητικά μοντέλα προσομοίωσης. 1. Γενικά μοντέλα κυκλοφορίας ή παγκόσμια κλιματικά μοντέλα (GCM) 2. Το επιφανειακό υδρολογικό μοντέλο για την προσομοίωση επιφανειακών υδρολογικών διεργασιών και την εκτίμηση της επαναφόρτισης υπογείων υδάτων (UTHBAL) 3. Το μοντέλο προσομοίωσης της λειτουργίας του ταμιευτήρα (UTHRL) 4. Ο κώδικας LAK3 για τον υπολογισμό της εκροής του ταμιευτήρα στα υπόγεια ύδατα. 5. Υδρολογικό μοντέλο για τη προσομοίωση της υπόγειας ροής (κωδικός MODFLOW) 6. Το μοντέλο προσομοίωσης της μεταφοράς και διασποράς των νιτρικών ιόντων στα υπόγεια ύδατα (κώδικας MT3DMS). Εφαρμογή: A. Δύο επιχειρησιακά σενάρια: i. Υφιστάμενη κατάσταση (χωρίς τη λειτουργία του ταμιευτήρα της Κάρλας) ii. Λειτουργία του ταμιευτήρα της Κάρλας B. Υπό συνθήκες κλιματικής αλλαγής για δύο περιόδους: i. τη μεσοπρόθεσμη περίοδο ( ) ii. τη μακροπρόθεσμη περίοδο ( )

4 Παρουσίαση Περιοχής Μελέτης Επιφάνειες Υδατικών Πόρων: i. Λεκάνη Απορροής Km 2 ii. Υπόγειος Υδροφορέας 500 Κm 2 iii. Ταμιευτήρας 38 Κm 2 Κλίμα: Τυπικό Μεσογειακό. Μέση Θερμοκρασία C. Μέση Βροχόπτωση mm/y. Ανάγλυφο: Υπάρχουν δύο ζώνες υψομέτρου. H ορεινή ζώνη (υψόμετρο 200 m) και η πεδινή ζώνη (υψόμετρο <200 m). Ο υδροφορέας της περιοχής μελέτης εντοπίζεται εξ ολοκλήρου στη πεδινή ζώνη. Γεωλογία: Οι πρόσφατες τεταρτογενείς αποθέσεις καταλαμβάνουν το μεγαλύτερο τμήμα της πεδινής ζώνης, οι οποίες αποτελούνται από υλικά ποικίλης κοκκομετρίας, ποτάμιας ή λιμναίας προέλευσης. Καρστικοί σχηματισμοί στα Νότια του Μαυροβουνίου και του Χαλκοδόνιου Αδιαπέρατοι σχηματισμοί: Βόρεια Μαυροβουνίου, Όσσα, Χαλκοδόνιο

5 Μεθοδολογία GCMs Τα GCMs και η μέθοδος στατιστικού καταβιβασμού δημιουργούν χρονοσειρές βροχόπτωσης και θερμοκρασίας, για τη μεσοπρόθεσμη ( ) και τη μακροχρόνια περίοδο ( ). MT3DMS Υπολογισμός της ροής της μάζας, την έκταση του πλουμίου και τη χωρική κατανομή του. Υπολογισμός ταχύτητας υπόγειας ροής UTHBAL Εκτίμηση της επιφανειακής απορροής και της κατείσδυσης στον υδροφορέα. Κατείσδυση MODFLOW Εκτίμηση των υδραυλικών υψών του υδροφορέα λόγω των αντλήσεων και υπολογισμός του υπόγειου υδατικού ισοζυγίου. Επιφανειακή απορροή Διαφυγές UTHRL Υπολογίζει τις εισροές και εκροές του ταμιευτήρα για τον υπολογισμό της υπερχείλισης καθώς και αποθήκευσης νερού στον ταμιευτήρα. Απολήψεις Εισροές, εξάτμιση LAK3 Χρησιμοποιεί τις εισροές του UTHRL, την εξάτμιση, τις απολήψεις και υπολογίζει την εκροή στα υπόγεια ύδατα.

6 ΚΛΙΜΑΤΙΚΗ ΑΛΛΑΓΗ Παγκόσμια Κλιματικά μοντέλα (GCMs) :

7 Μαθηματικό Ομοίωμα Επιφανειακής Υδρολογίας UTHBAL (Loukas et al., 2007): Εκτίμηση δεδομένων εισόδου Μηνιαία δεδομένα βροχόπτωσης και θερμοκρασίας προέρχονται από την ομοιόμορφη κατανομή των σταθμών βροχόπτωσης σε όλη την λεκάνη απορροής ήταν διαθέσιμα για 49 υδρολογικά έτη από τον Οκτώβριο του 1960 έως τον Σεπτέμβριο του 2009 Εφαρμογή της τροποποιημένη μεθόδου Thiessen με χρήση της βροχοβαθμίδας και θερμοβαθμίδας για την εκτίμηση της μηνιαίας επιφανειακής βροχόπτωσης και θερμοκρασίας της λεκάνης απορροής λαμβάνοντας υπόψιν τους σταθμούς που βρίσκονται μέσα ή στα πέριξ της λεκάνης απορροής Η δυνητική εξατμισοδιαπνοή υπολογίστηκε με τη μέθοδο Thornthwaite με βάση τιμές της επιφανειακής θερμοκρασίας.

8 Προσομοίωση Λειτουργίας Ταμιευτήρα Μηνιαίο μοντέλο προσομοίωσης λειτουργίας ταμιευτήρα UTHRL (Loukas et al., 2007) V i = V i-1 + Q i - E i A i Y i όπου: V i, V i-1 ο αποθηκευμένος όγκος νερού στον ταμιευτήρα τους μήνες i και i-1 (hm 3 ) Q i η εισροή στον ταμιευτήρα το μήνα i (hm 3 ) E i η καθαρή απώλεια του ταμιευτήρα το μήνα I (hm 3 ) A i η πραγματική απόληψη κατά το μήνα i (hm 3 ) Y i η υπερχείλιση κατά το μήνα i (hm 3 )

9 Προσομοίωση Επικοινωνίας Ταμιευτήρα - Υδροφορέα LAK3 (Merritt and Konikow, 2000) υπορουτίνα του MODFLOW 2000 που υπολογίζει στο τέλος κάθε χρονικού βήματος ένα υδατικό ισοζύγιο για τη λίμνη το οποίο είναι ανεξάρτητο από το υδατικό ισοζύγιο του υπόγειου υδροφορέα: όπου: h n l = h n 1 l + t p e + rnf w sp As h n, h n -1 η στάθμη του ταμιευτήρα για το συγκεκριμένο χρονικό βήμα [L]. Δt η διάρκεια του χρονικού βήματος [Τ]. p η βροχόπτωση κατά τη διάρκεια του χρονικού βήματος [L 3 /T]. e η εξατμισοδιαπνοή από την επιφάνεια του ταμιευτήρα κατά τη διάρκεια του χρονικού βήματος [L 3 /T]. rnf η επιφανειακή απορροή κατά τη διάρκεια του χρονικού βήματος w οι απολήψεις από τον ταμιευτήρα κατά τη διάρκεια του χρονικού βήματος [L 3 /T]. sp η διαρροή από τον ταμιευτήρα στον υδροφορέα κατά τη διάρκεια του χρονικού βήματος [L 3 /T]. Ο όρος sp είναι ίσος με το άθροισμα όλων των ποσοτήτων διαρροών που αντιστοιχούν σε κάθε κελί του καννάβου και υπολογίζεται από την εξίσωση

10 Αρχικές Συνθήκες: 27 γεωτρήσεις παρατήρησης έδωσαν την εικόνα του υδροφορέα για την 1/1/1987. Περίοδος προσομοίωσης Προσέγγιση Υδρογεωλογικού Προβλήματος Αντλήσεις: Επτά ζώνες άντλησης. Οι τέσσερις πρώτες ανήκουν στην Π.Ε. Μαγνησίας και οι άλλες τρεις στην Π.Ε. Λάρισας. Κατείσδυση: Μηνιαίες τιμές φόρτισης του υπόγειου υδροφορέα προέκυψαν από το μηνιαίο μοντέλο υδατικού ισοζυγίου UTHBAL Επικοινωνία με ταμιευτήρα : Μηνιαίες τιμές εισροής/εκροής μέσω του μοντέλου LAK3. Ζώνες Έκταση (στρέμματα) Ετήσιες Αντλήσεις (10 6 m 3 /h)

11 Μαθηματικό Ομοίωμα Υπόγειας Υδρολογίας Το αριθμητικό μοντέλο MODFLOW 2000 (Harbaugh and McDonald, 2000) χρησιμοποιήθηκε για την κατανεμημένη μηνιαία προσομοίωση του υπόγειου υδρολογικού ισοζυγίου και την εκτίμηση των υδραυλικών υψών του υδροφορέα. Δεδομένα μοντέλου υπόγειας υδρολογίας (MODFLOW) Κάναβος: ενεργά κελιά διαστάσεως 200 x 200 m Οριακές Συνθήκες : i. Αδιαπέραστο το Ανατολικό Όριο ΑΒ, Μηδενικής Ροής. ii. iii. Υδραυλική επικοινωνία με γειτονικό υδροφορέα στο Δυτικό Όριο ΑΒ General Head με C = (m 2 /d)/m. Τα σημεία Α,Β και Γ είναι σημεία μεταβλητού φορτίου στο χρόνo.

12 Μαθηματικό Ομοίωμα Μεταφοράς Διασποράς Ρύπων Το Αριθμητικό πρόγραμμα MT3DMS (Zheng and Wang, 1999) χρησιμοποιήθηκε για την κατανεμημένη μηνιαία προσομοίωση της μεταφοράς και διασποράς των νιτρικών στον υπόγειο υδροφορέα, την εκτίμηση της ροής της μάζας καθώς και την έκταση εξάπλωσης και την γεωμετρία του πλουμίου Αρχικές συνθήκες: 11 γεωτρήσεις παρατήρησης για την αρχική συγκέντρωση των νιτρικών (01/06/1995) και 40 γεωτρήσεις για την βαθμονόμηση/ρύθμιση (calibration) του προγράμματος (01/09/2007) Περίοδος προσομοίωσης από 01/06/ /09/2007 φόρτιση νιτρικών ( Kg day ) κατείσδυση 365ημέρες mm Καλλιεργήσιμη έκταση (m2 )

13 Χωρική Κατανομή Αρχικής Συγκέντρωσης Νιτρικών

14 Ρύθμιση Μαθηματικού Ομοιώματος Υπόγειας Ρύπανσης

15 Ρύθμιση Μαθηματικού Ομοιώματος Υπόγειας Ρύπανσης

16 Διαχειριστικά Σενάρια Το πρώτο επιχειρησιακό σενάριο εξετάζει την ποσοτική και ποιοτική κατάσταση των υπόγειων υδάτων χωρίς τη λειτουργία του ταμιευτήρα Το δεύτερο επιχειρησιακό σενάριο εξετάζει την ποσοτική και ποιοτική κατάσταση των υπόγειων υδάτων με τη λειτουργία του ταμιευτήρα

17 Διαχειριστικά Σενάρια Μελλοντική Κατάσταση Λειτουργία του ταμιευτήρα και του αρδευτικού δικτύου της περιοχής της Λίμνης Κάρλας

18 Αποτελέσματα Υδραυλικά ύψη για το 1 ο Διαχειριστικό Σενάριο Υδραυλικά ύψη για το 2 ο Διαχειριστικό Σενάριο

19 Αποτελέσματα Συγκέντρωση Νιτρικών για το 1 ο Διαχειριστικό Σενάριο Συγκέντρωση Νιτρικών για το 2 ο Διαχειριστικό Σενάριο

20 Αποτελέσματα Ο χάρτης παρουσιάζει το ποσοστό μείωσης της συγκέντρωσης των νιτρικών ανάμεσα στα δύο διαχειριστικά σενάρια

21 Αποτελέσματα Συγκέντρωση νιτρικών για το 1 ο σενάριο διαχείρισης (τοποθεσίες με συγκέντρωση νιτρικών 25 mg/l) Συγκέντρωση νιτρικών για το 2 ο σενάριο διαχείρισης (τοποθεσίες με συγκέντρωση νιτρικών 25 mg /l) Σενάριο Τοποθεσίες πάνω από 25 mg/l Συνολική περιοχή Ποσοστό 1 ο Διαχειριστικό km km % 2 ο Διαχειριστικό 7.04 km km %

22 Αποτελέσματα Διαφορές Συγκέντρωσης Νιτρικών εξαιτίας της κλιματικής αλλαγής της μεσοπρόθεσμης περιόδου ( ) με την ιστορική περίοδο (2007)

23 Αποτελέσματα Τοποθεσίες με συγκέντρωση νιτρικών πάνω από 25 mg/l για την μεσοπρόθεσμη περίοδο ( ) SRES, Μεσοπρόθεσμη περίοδος Περιοχές με πάνω 25 mg/l Συνολική έκταση Ποσοστό SRESA1B 8.96 km km % SRESA km km % SRESB km km %

24 Αποτελέσματα Διαφορές Συγκέντρωσης Νιτρικών εξαιτίας της κλιματικής αλλαγής της μακροχρόνιας περιόδου ( ) με την ιστορική περίοδο (2007)

25 Αποτελέσματα Τοποθεσίες με συγκέντρωση νιτρικών πάνω από 25 mg/l για την μακροχρόνια περίοδο ( ) SRES, Μακροχρόνια περίοδος Περιοχές με πάνω 25 mg/l Συνολική έκταση Ποσοστό SRESA1B 109,32 km km % SRESA km km % SRESB km km %

26 Αποτελέσματα

27 Συμπεράσματα Το εφαρμοσμένο ολοκληρωμένο σύστημα προσομοίωσης επιφανειακών - υπόγειων υδάτων επισήμανε τη θετική συμβολή του ταμιευτήρα στην ποιότητα των υπόγειων υδάτων. Το μοντέλο μεταφοράς διασποράς δείχνει ότι οι αυξανόμενες συγκεντρώσεις νιτρικών αλάτων στα υπόγεια ύδατα συσχετίζονται με τα ποσοστά εφαρμογής λιπασμάτων στη λεκάνη απορροής στο σενάριο της υφιστάμενης κατάστασης. Αντίστροφα, η παρουσία του ταμιευτήρα και η λειτουργία του νέου αρδευτικού δικτύου οδηγεί στη μείωση της συγκέντρωσης νιτρικών στα υπόγεια ύδατα. Η λειτουργία του ταμιευτήρα μειώνει τοπικά τη συγκέντρωση των νιτρικών αλάτων ακόμη και κάτω από τα 25 mg/l στις γύρω από τον ταμιευτήρα περιοχές. Η συγκέντρωση των 25 mg / l στα υπόγεια ύδατα χαρακτηρίστηκε ως τιμή threshold" από την οδηγία 91/676/ ΕΟΚ. Όσον αφορά το φαινόμενο της κλιματικής αλλαγής η ποιοτική κατάσταση επιβαρύνεται καθώς παρατηρείται αύξηση της συγκέντρωσης των νιτρικών. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα νιτρικά άλατα χαρακτηρίζονται ως υδατοδιαλυτοί ρύποι και η μείωση της επαναφόρτισης εμποδίζει τη διάλυσή τους. Η συγκέντρωση νιτρικών στα υπόγεια ύδατα εξαρτάται κυρίως από την επαναφόρτιση/εμπλουτισμό των υπόγειων υδάτων. Η συγκέντρωση των νιτρικών μπορεί να αυξηθεί λόγω της μείωσης της κατείσδυσης, ως αντίκτυπο της κλιματικής αλλαγής και της μεταβλητότητας.

28 Acknowledgments - Ευχαριστίες Μέρος της επιστημονικής δημοσίευσης πραγματοποιήθηκε στο πλαίσιο των Διδακτορικών Διατριβών του κου Γιώργου Τζιάτζιου και του κου Άγγελου Αλαμάνου, οι οποίοι συγχρηματοδοτούνται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από ελληνικά εθνικά κονδύλια μέσω του προγράμματος «Ίδρυμα Κρατικών Υποτροφιών» (ΙΚΥ) με την πρωτοβουλία «Πρόγραμμα Υποτροφιών Μεταπτυχιακών Σπουδών - στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Πρόγραμμα Ανάπτυξης Ανθρώπινου Δυναμικού, Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» του Εθνικού Στρατηγικού Πλαισίου Αναφοράς (ΕΣΠΑ) Μέρος της επιστημονικής δημοσίευσης πραγματοποιήθηκε στο πλαίσιο της Μεταδιδακτορικής Έρευνας του κου Σιδηρόπουλου Παντελή με Τίτλο «Προσομοίωση και Διαχείριση Υποβαθμισμένων Υπόγειων Υδροφορέων Αγροτικών Λεκανών με Νιτρορύπανση Υπό Συνθήκες Αβεβαιότητας» της πρόσκλησης «ΧΟΡΗΓΗΣΗ ΥΠΟΤΡΟΦΙΑΣ ΓΙΑ ΕΚΠΟΝΗΣΗ ΜΕΤΑΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ» του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας, η οποία υλοποιείται στο Π.Θ. και χρηματοδοτήθηκε από το "Ίδρυμα Σταύρος Νιάρχος".