ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ Υ ΑΤΩΝ ΤΗΣ ΛΙΜΝΗΣ ΣΜΟΚΟΒΟΥ ΠΡΟΛΟΓΟΣ

Transcript

1 ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ Υ ΑΤΩΝ ΤΗΣ ΛΙΜΝΗΣ ΣΜΟΚΟΒΟΥ ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η κατασκευή φραγµάτων ταµιευτήρων αναµένεται να ανακουφίσει σηµαντικά την Θεσσαλική πεδιάδα από το πρόβληµα της έλλειψης αρδευτικού νερού, καθώς η κύρια απασχόληση των περισσοτέρων κατοίκων της περιοχής είναι η γεωργία. Παράλληλα, τόσο η ένταξη της Ελλάδας στην Ευρωπαϊκή Κοινότητα και η υιοθέτηση των οδηγιών της σχετικά µε τη διαχείριση του περιβάλλοντος, όσο και η αυξανόµενη κοινωνική ευαισθητοποίηση σχετικά µε το θέµα αυτό καθιστούν αναγκαία την µελέτη και συστηµατική παρακολούθηση και τον έλεγχο των ποιοτικών παραµέτρων κάθε ταµιευτήρα. Αντικείµενο της παρούσας εργασίας είναι η διερεύνηση της ποιότητας των υδάτων της λίµνης Σµοκόβου, η οποία λειτουργεί από το 2002 και προσωρινά χρησιµοποιείται αποκλειστικά για αρδευτική χρήση. Προσοµοιώθηκε η τροφική κατάσταση του ταµιευτήρα και η εξέλιξη της συγκέντρωσης των βασικότερων παραµέτρων της ποιότητας του νερού σε συνδυασµό µε εργαστηριακές µετρήσεις που έχουν πραγµατοποιηθεί από τοπικές υπηρεσίες για διάφορα σενάρια που αφορούν το υδατικό ισοζύγιο στη λεκάνη απορροής. Στην πραγµατοποίηση της εργασίας αυτής πολύτιµη ήταν η συµβολή της αναπληρώτριας καθηγήτριας του Ε.Μ.Π. κ. Αλεξάνδρας Κατσίρη. Επίσης σηµαντικά συνέβαλλαν οι προϊστάµενοι των τοπικών υπηρεσιών που ασχολούνται µε τα θέµατα της λίµνης Σµοκόβου: Παράσχης Κων/νος : Προϊστάµενος Ε.Υ..Ε. φράγµατος Σµοκόβου Στεργιούλης ηµήτριος : Προϊστάµενος Τ.Υ..Κ. Ν. Καρδίτσας Παπαθανασίου Κων/νος : Χηµικός Μηχανικός, υπεύθυνος λειτουργίας Ε.Ε.Λ δήµου Καρδίτσας. Γκούβης Απόστολος: Προϊστάµενος ιεύθυνσης Γεωργίας Ν. Καρδίτσας Μπρουζιώτης Θεόφιλος: Βιολόγος, υπεύθυνος Αναπτυξιακής Καρδίτσας Α.Ε για θέµατα περιβάλλοντος. Αθήνα, Σεπτέµβριος 2005 Ρόπης Κωνσταντίνος

2 ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ Υ ΑΤΩΝ ΤΗΣ ΛΙΜΝΗΣ ΣΜΟΚΟΒΟΥ ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 4 ABSTRACT ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ποιότητα υδάτων Στοιχεία βιολογίας του νερού Οργανικές ύλες- αποξυγόνωση Φώσφορος και άζωτο - ευτροφισµός Χρώµα Οσµή Περιεκτικότητα σε στερεά Η ΛΙΜΝΗ ΣΜΟΚΟΒΟΥ Γενικά στοιχεία λίµνης Σµοκόβου Σκοπός κατασκευής του έργου Κύρια µέρη, (τµήµατα), του έργου Γεωγραφικά και τοπογραφικά χαρακτηριστικά Χαρακτηριστικά της λεκάνης απορροής ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ Υ ΑΤΩΝ ιαδικασία προσοµοίωσης Υπολογισµός υδάτινου όγκου Προσέγγιση της τοπογραφίας της λίµνης Εποχιακή στρωµάτωση και ανάµιξη Θερµοκρασία Ηλιακή ακτινοβολία Η ταχύτητα του ανέµου Προϊόντα αποσύνθεσης Ιζήµατα Νεκρή οργανική ύλη Άζωτο Νιτροποίηση και απονιτροποίηση Φώσφορος ιαλυµένο οξυγόνο Χλωροφύλλη Ανόργανος άνθρακας ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΣΤΗ ΛΙΜΝΗ ΣΜΟΚΟΒΟΥ Παραδοχές Κλιµατολογία Βασικά υδρολογικά δεδοµένα Πληµµύρες στη θέση Σµόκοβο Απορροές στη θέση Σµόκοβο Φερτές ύλες Χρήσεις γης Ρυπαντικά φορτία Αιωρούµενα στερεά Ηλιοφάνεια και φωτοπερίοδος... 66

3 ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ Υ ΑΤΩΝ ΤΗΣ ΛΙΜΝΗΣ ΣΜΟΚΟΒΟΥ Μετρήσεις που πραγµατοποιήθηκαν Σενάρια λειτουργίας του ταµιευτήρα Βήµατα προσοµοίωσης Προσαρµογή του µοντέλου Προσοµοίωση ποιοτικών µεγεθών της λίµνης Σµοκόβου Προσοµοίωση έως 16/6/ Αµµωνιακό άζωτο Νιτρικό άζωτο Φώσφορος ιαλυµένο οξυγόνο Χλωροφύλλη Εξέλιξη λόγου Ν/Ρ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ (ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΕΣ) ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 94

4 ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ Υ ΑΤΩΝ ΤΗΣ ΛΙΜΝΗΣ ΣΜΟΚΟΒΟΥ ΠΕΡΙΛΗΨΗ Αντικείµενο της παρούσας εργασίας. αποτελεί η διερεύνηση της ποιότητας των υδάτων της λίµνης Σµοκόβου. Η ανάγκη δηµιουργίας ταµιευτήρων που µπορούν να δώσουν λύση στο µεγάλο πρόβληµα της έλλειψης αρδευτικού αλλά και πόσιµου νερού, και ταυτόχρονα να αξιοποιηθούν τουριστικά, καθιστά απαραίτητη την παρακολούθηση των χαρακτηριστικών εκείνων που θα διασφαλίζουν τόσο την ποιότητα των υδάτων τόσο από άποψη αισθητικής όσο και υγιεινής. Η λίµνη Σµοκόβου είναι χαρακτηριστικό παράδειγµα ενός ταµιευτήρα που δηµιουργήθηκε για να συµβάλει θετικά στο πρόβληµα του υδατικού ισοζυγίου της Θεσσαλίας και που αναµένεται, αν αξιοποιηθεί κατάλληλα, να τονώσει την τουριστική κίνηση της περιοχής. Για την διερεύνηση της ποιότητας των υδάτων της λίµνης Σµοκόβου χρησιµοποιήθηκε το µοντέλο ευτροφισµού Aquatox το οποίο διατίθεται από Υπηρεσία Περιβάλλοντος της Αµερικής. Το Aquatox είναι ένα µοντέλο γενικού οικολογικού ρίσκου που προσοµοιώνει την εξέλιξη της συγκέντρωσης και τις επιπτώσεις τόσο από την παρουσία συντηρητικών ρύπων, όπως τα θρεπτικά και τα ιζήµατα, όσο και από την επίδραση τοξικών χηµικών στο οικοσύστηµα. Η χρήση του συστήνεται για ποταµούς, λίµνες, λιµνοθάλασσες και ταµιευτήρες. Οι συνήθεις ρύποι που µπορούν να επιβαρύνουν την ποιότητα των υδάτων ενός ταµιευτήρα αυτού του είδους προέρχονται από τις χρήσεις γης στην λεκάνη απορροής του. Η λεκάνη απορροής της λίµνης Σµοκόβου βρίσκεται κατά το µεγαλύτερο µέρος της στον Ν. Καρδίτσας, όπου οι κάτοικοι της περιοχής ασχολούνται κυρίως µε τη γεωργία και την κτηνοτροφία, ενώ συµπεριλαµβάνει και ένα τµήµα της πεδιάδας του οµοκού. Η συγκεκριµένη πεδιάδα προέρχεται από την αποξήρανση της λίµνης Ξυνιάδος και σήµερα καλλιεργείται από τους κατοίκους της περιοχής. Το µεγαλύτερο βέβαια µέρος της λεκάνης απορροής καλύπτεται από δάση και βοσκότοπους. Με βάση τα παραπάνω γίνεται αντιληπτό ότι οι βασικότεροι ρύποι προέρχονται από αστικά, γεωργικά και κτηνοτροφικά απόβλητα. Τα συγκεκριµένα απόβλητα περιέχουν σηµαντικά φορτία αζώτου (είτε στην αµµωνιακή, είτε στην οξειδωµένη του µορφή) και φωσφόρου. Η προσέγγιση των ποσοτήτων των θρεπτικών ( Ν,Ρ ) που εισέρχονται στην λίµνη πραγµατοποιήθηκε κυρίως µε βάση τα στοιχεία της Εθνικής Στατιστικής Υπηρεσίας από την απογραφή του Με τη χρήση των στοιχείων αυτών

5 ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ Υ ΑΤΩΝ ΤΗΣ ΛΙΜΝΗΣ ΣΜΟΚΟΒΟΥ εκτιµήθηκαν οι χρήσεις γης όπως και ο πληθυσµός των µόνιµων κατοίκων στη λεκάνη απορροής. Στην συνέχεια µε τη βοήθεια ανάλογης µελέτης που πραγµατοποιήθηκε για την γειτονική λίµνη Ν. Πλαστήρα και στοιχεία που προήλθαν από την ιεύθυνση Γεωργίας του νοµού υπολογίστηκαν οι ποσότητες αζώτου και φωσφόρου που εισέρχονται σε ετήσια βάση στην λίµνη. Λήφθηκε υπ όψιν η εφαρµογή πρότυπων µεθόδων για τον περιορισµό της νιτρορύπανσης από τις καλλιέργειες µε βάση αντίστοιχη κοινοτική οδηγία. Επίσης χρησιµοποιήθηκαν κατά την προσοµοίωση οι εργαστηριακές µετρήσεις των ποιοτικών χαρακτηριστικών των υδάτων του ταµιευτήρα, οι οποίες πραγµατοποιήθηκαν από την τοπική υπηρεσία ύδρευσης σε συνεργασία µε την Τεχνική Υπηρεσία ήµων και Κοινοτήτων του Ν. Καρδίτσας. Εκτός από τα ρυπαντικά φορτία αζώτου και φωσφόρου, απαραίτητα για την προσοµοίωση της ποιότητας των υδάτων της λίµνης είναι και τα υδρολογικά δεδοµένα. Όσον αφορά τη διάθεση νερού από την λίµνη η οποία προς το παρόν γίνεται για αρδευτική χρήση θεωρήθηκε ότι αυτή είναι σταθερή σε ετήσια βάση και ίση περίπου µε αυτή που είχε εκτιµηθεί κατά τη µελέτη του έργου. Η παροχή αυτή είναι δύσκολο να περιοριστεί καθώς οι υδατικές ανάγκες της πεδιάδας της Θεσσαλίας είναι ιδιαίτερα µεγάλες και οι τοπικοί φορείς απαιτούν να διατίθεται όσο το δυνατό περισσότερο νερό για άρδευση. Σχετικά µε τις εισερχόµενες παροχές στον ταµιευτήρα εξαιτίας της έλειψης αξιόπιστων υδρολογικών δεδοµένων έγιναν εκτιµήσεις που βασίστηκαν στα δεδοµένα της µελέτης του έργου και την πιθανή µείωση αυτής της παροχής σε ετήσια βάση ώστε να διερευνηθεί η µεταβολή των ποιοτικών χαρακτηριστικών της λίµνης για διάφορες στάθµες λειτουργίας του. Τα εισερχόµενα φορτία και οι παροχές που εκτιµήθηκαν χρησιµοποιήθηκαν ως στοιχεία εισόδου στο µοντέλο. Η προσοµοίωση βασίστηκε σε εξισώσεις ισορροπίας µάζας που συνοπτικά αναλύονται παρακάτω. α. Άζωτο Το άζωτο προσοµοιώνεται στο µοντέλο µε δύο µορφές, την αµµωνία και τα νιτρικά. Τα νιτρώδη εµφανίζονται γενικά σε µικρές συγκεντρώσεις και µετατρέπονται σχεδόν άµεσα σε νιτρικά. Η αµµωνία κατά τη διαδικασία της νιτροποίησης αφοµοιώνεται από τα φυτά και µετατρέπεται σε νιτρικά. dnh 4 Loading Excrete + Decompose Nitrify Assimilation dt Washout ± TurbDiff όπου: = NH 4

6 ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ Υ ΑΤΩΝ ΤΗΣ ΛΙΜΝΗΣ ΣΜΟΚΟΒΟΥ dnh 4 : η µεταβολή της συγκέντρωσης της αµµωνίας (g/m 3 d) dt Loading : η φόρτιση µε αµµωνία από την εισερχόµενη παροχή (g/m 3 d) Excrete : η αµµωνία που αποβάλλεται από τους οργανισµούς (g/m 3 d) Decompose : η αµµωνία που παράγεται από την αποσύνθεση της νεκρής οργανικής ύλης (g/m 3 d). Nitrify : η αµµωνία που µετατρέπεται σε νιτρικά µέσω της νιτροποίησης (g/m 3 d) Assimilati on NH 4 : η αµµωνία που προσλαµβάνεται από τα φυτά (g/m 3 d) Washout : η απώλεια αµµωνίας λόγω της ροής του νερού (g/m 3 d) TurbDiff : η ποσότητα της αµµωνία που µεταφέρεται λόγω τυρβώδους διάχυσης από το επιλίµνιο στο υπολίµνιο και αντίστροφα (g/m 3 d) σχήµα Σχηµατικά η προσοµοίωση του κύκλου του αζώτου φαίνεται στο παρακάτω ΝΕΚΡΗ ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΥΛΗ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ ΑΠΟΣΥΝΘΕΣΗ ΑΠΟΒΟΛΗ ΑΠΟΝΙΤΡΟΠΟΙΗΣΗ ΑΜΜΩΝΙΑ ΝΙΤΡΟΠΟΙΗΣΗ ΝΙΤΡΙΚΑ ΚΑΙ ΝΙΤΡΩ Η ΠΡΟΣΛΗΨΗ ΠΡΟΣΛΗΨΗ ΦΥΤΑ ΦΥΤΑ β. Νιτροποίηση και απονιτροποίηση όπου: Ο ρυθµός νιτροποίησης υπολογίζεται σύµφωνα µε τον παρακάτω τύπο. N = K N AREA V DO C * T * ph * NH C c 4 Ν : ο ρυθµός νιτροποίησης (g/m 3 d) Κ Ν : ο µέγιστος ρυθµός νιτροποίησης (0.135 m/d) AREA : η επιφάνεια της λίµνης (m 2 )

7 ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ Υ ΑΤΩΝ ΤΗΣ ΛΙΜΝΗΣ ΣΜΟΚΟΒΟΥ V : ο όγκος της λίµνης (m 3 ) DO C : διόρθωση για παρουσία αναερόβιων συνθηκών T c : διόρθωση για µη ιδανική θερµοκρασία ph c : διόρθωση για µη ιδανικό ph NH 4 : η συγκέντρωση της αµµωνίας (g/m 3 ) Η απονιτροποίηση (η µετατροπή των νιτρικών σε ελεύθερο άζωτο) είναι αναερόβια διεργασία, οπότε η παρουσία διαλυµένου οξυγόνου αναστέλλει τη διαδικασία ο ρυθµός απονιτροποίησης δίνεται από τον παρακάτω τύπο. D = K D ( 1 DO ) Tc * phc * NO C όπου: D : ο ρυθµός απονιτροποίησης (g/m 3 d) K D : ο µέγιστος ρυθµός απονιτροποίησης (0.1 m/d) NO 3 : η συγκέντρωση των νιτρικών (g/m 3 ) Η απονιτροποίηση δεν είναι γενικά ευαίσθητη σε περιβαλλοντικές αλλάγές. γ. Φώσφορος Ο κύκλος του φωσφόρου είναι πολύ απλούστερος από αυτόν του αζώτου. Η αποσύνθεση, η αποβολή και η πρόσληψη είναι οι πιο σηµαντικές διαδικασίες και είναι παρόµοιες µε αυτές που περιγράφηκαν παραπάνω για την περίπτωση του αζώτου. 3 dp = LoadFracAvail + Excrete + Decompose Assimilation dt Washout ± TurbDiff P Excrete = Σbiot(Corg2Phosphate * Excretion BIOTA ) Decompose = Σ DET ( org2phoshate * DecompositionDET ) Assimilation = Σplant(Photosynthesis PLANT * Uptake phosphorus ) dp : η µεταβολή της συγκέντρωσης του φωσφόρου (g/m 3 d) dt Load : η φόρτιση µε φώσφορο από την εισερχόµενη παροχή (g/m 3 d) FracAvail : το ποσοστό του φωσφόρου που είναι διαθέσιµο (αδιάστατο) Excrete : ο φώσφορος που παράγεται από τις αποβολές των οργανισµών (φυτά και ζώα) (g/m 3 d)

8 ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ Υ ΑΤΩΝ ΤΗΣ ΛΙΜΝΗΣ ΣΜΟΚΟΒΟΥ Decompose : ο φώσφορος που παράγεται κατά την αποσύνθεση της νεκρής οργανικής ύλης Assimilation : η αφοµοίωση φωσφόρου από τα φυτά (g/m 3 d) Washout : απώλειες φωσφόρου εξαιτίας της ροής του νερού (g/m 3 d) Org2Phosphate: το ποσοστό του οργανικού φωσφόρου Excretion : ο ρυθµός αποβολών για δεδοµένο οργανισµό Decomposition : ο ρυθµός αποσύνθεσης της νεκρής οργανικής ύλης Photosynthesis : ο ρυθµός της φωτοσύνθεσης Uptake: το ποσοστό της φωτοσύνθεσης που αντιστοιχεί στο φώσφορο (0.018). Φυτοπλαγκτόν θάνατος ενδογενής αναπνοή ΟΡΓΑΝΙΚΟΣ ΦΩΣΦΟΡΟΣ Σύνθεση ΑΝΟΡΓΑΝΟΣ ΦΩΣΦΟΡΟΣ Τροφοδότηση Καθίζηση ΠΥΘΜΕΝΙΚΕΣ ΑΠΟΘΕΣΕΙΣ Σηµαντικό ρόλο στην προσοµοίωση παίζουν επίσης τα χαρακτηριστικά της περιοχής, όπως το ανάπτυγµά της λίµνης, η χωρητικότητά της το µέσο βάθος και στοιχεία που αφορούν την θερµοκρασία τους ανέµους και την ηλιοφάνεια. Η θερµοκρασία είναι ένας από τους σηµαντικότερους παράγοντες στην προσοµοίωση της λειτουργίας του οικοσυστήµατος µιας λίµνης καθώς οι περισσότερες διεργασίες εξαρτώνται άµεσα από αυτή. Παρόλα αυτά οι αλλαγές στη θερµοκρασία σπάνια επηρεάζουν άµεσα τα υδατικά συστήµατα. Είναι δηλαδή προτιµότερο οι µακροχρόνιες διεργασίες να προσοµοιώνονται µε σταθερές θερµοκρασίες και να λαµβάνονται υπόψιν µόνο οι εποχιακές αλλαγές. Στην περίπτωση της λίµνης Σµοκόβου λήφθηκαν υπ όψιν οι εκτιµήσεις της µελέτης του έργου, η εκτίµηση της ΕΜΥ για τη µέση θερµοκρασία του νοµού και ο µαθηµατικός τύπος που καταρτίστηκε κατά τη µελέτη της ποιότητας της λίµνης Πλαστήρα. Η ηλιακή ακτινοβολία είναι ιδιαίτερα σηµαντικός παράγοντας καθώς διαδραµατίζει πολύ σηµαντικό ρόλο στις διαδικασίες της φωτόλυσης και της φωτοσύνθεσης. Η ηµερήσια ένταση φωτός υπολογίζεται µε βάση τον παρακάτω τύπο:

9 ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ Υ ΑΤΩΝ ΤΗΣ ΛΙΜΝΗΣ ΣΜΟΚΟΒΟΥ Irange Io = Im ean + * sin( * td 1.76) 2 όπου: Ιο: η µέση ηµερήσια ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας (Ly) Imean: η µέση ετήσια ηλιακή ακτινοβολία (Ly) Irange: το εύρος διακύµανσης της ηλιακής ακτινοβολίας (Ly) td: ο χρόνος σε ηµέρες µε αρχή την 1 η Ιανουαρίου Η ένταση του φωτός υπολογίζεται σε Langleys ανά ηµέρα (όπου 1Ly/d =10Kcal/m 2 *d). Η φωτοπερίοδος επηρεάζει σηµαντικά την φωτοσύνθεση. Υπεισέρχεται στο µοντέλο µε βάση την ηµεροµηνία χρησιµοποιώντας την προσέγγιση του Stewart (1975). Day 12 + A* cos( ) Photoperio d = όπου: Photoperiod: το ποσοστό της ηµέρας όπου υπάρχει φυσικό φως (αδιάστατο µέγεθος) Α : οι ώρες όπου υπάρχει φυσικό φως µείον 12 (hr) Day : Η ηµέρα του έτους µε έναρξη την 1/1 Ο συντελεστής Α είναι η διαφορά σε ώρες φυσικού φωτισµού ανάµεσα στο θερινό ηλιοστάσιο και την εαρινή ισηµερία σε συγκεκριµένο γεωγραφικό πλάτος και δίνεται από την παρακάτω εξίσωση: A = * ΓΠ S * όπου Γ.Π : το γεωγραφικό πλάτος (σε ο ) S : συντελεστής που παίρνει την τιµή 1 για τις χώρες του βόρειου ηµισφαιρίου και την τιµή -1 για τις χώρες του νότιου ηµισφαιρίου. Η ταχύτητα του ανέµου δίνεται από τον µελετητή µε βάση τα στοιχεία για τους ανέµους της περιοχή και µπορεί είτε να έχει τη µορφή µέσης τιµής είτε να είναι µια χρονοσειρά. Στην περίπτωση σχηµατισµού πάγου στην επιφάνεια της λίµνης, η ταχύτητα του ανέµου γίνεται αυτόµατα µηδενική. Στην συγκεκριµένη προσοµοίωση η ταχύτητα του ανέµου θεωρήθηκε σταθερή και ίση µε τη µέση τιµή των µετρήσεων της περιοχής.

10 ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ Υ ΑΤΩΝ ΤΗΣ ΛΙΜΝΗΣ ΣΜΟΚΟΒΟΥ Πριν από την προσοµοίωση αξιολογήθηκε η προγνωστική ικανότητα του µοντέλου. Προσοµοιώθηκε η περίοδος από 4/2/2 έως 16/6/2005 για την οποία υπήρχαν διαθέσιµες µετρήσεις για το αµµωνιακό άζωτο, τα νιτρικά και τα φωσφορικά. Η ελάχιστη στάθµη της λίµνης στο χρονικό αυτό διάστηµα ήταν , η εισερχόµενη ετήσια παροχή 185*10 6 m 3 και ο απολήψιµος όγκος 144*10 6 m 3. Η σύγκριση µε τις εργαστηριακές µετρήσεις έδειξε ότι το µοντέλο προσοµοιώνει ικανοποιητικά την τροφική κατάσταση των υδάτων του ταµιευτήρα. Στη συνέχεια πραγµατοποιήθηκε προσοµοίωση για έξι ακόµα σενάρια µείωσης της ετήσιας παροχής εισόδου στην λίµνη ώστε να διερευνηθεί η συµπεριφορά των θρεπτικών και της χλωροφύλλης σε κάθε περίπτωση. Από την σύγκριση των αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης προέκυψε πως κατά τη λειτουργία του ταµιευτήρα στη µικρότερη από τις ελάχιστες στάθµες αυξάνεται η συγκέντρωση του αµµωνιακού αζώτου, των νιτρικών και των φωσφορικών, ενώ οι συγκεντρώσεις του διαλυµένου οξυγόνου και της χλωροφύλλης παραµένουν αµετάβλητες παρά τη διακύµανση της στάθµης. Τους θερινούς µήνες παρατηρούνται οι µεγαλύτερες συγκεντρώσεις χλωροφύλλης και διαλυµένου οξυγόνου. Συνοπτικά τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης φαίνονται παρακάτω. ΕΞΕΛΙΞΗ ΑΜΜΩΝΙΑΚΟΥ ΑΖΩΤΟΥ 0.16 ΑΜΜΩΝΙΑΚΟ ΑΖΩΤΟ (mg/lt) /02/2 25/03/2 14/05/2 03/07/2 22/08/2 11/10/2 30/11/2 19/01/ /03/ /04/2 005 NH4-346 NH4-347 NH4-348 NH4-349 NH4-350 NH4-351 ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ NH4-352 προσοµοίωση συγκέντρωσης αµµωνιακού αζώτου

11 ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ Υ ΑΤΩΝ ΤΗΣ ΛΙΜΝΗΣ ΣΜΟΚΟΒΟΥ ΝΙΤΡΙΚΟ ΑΖΩΤΟ (mg/lt) ΕΞΕΛΙΞΗ ΝΙΤΡΙΚΩΝ /02/2 14/05/2 22/08/2 30/11/2 10/03/2005 ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ NO3 (mg/l) 352 NO3 (mg/l) 351 NO3 (mg/l) 350 NO3 (mg/l) 349 NO3 (mg/l) 348 NO3 (mg/l) 347 NO3 (mg/l) 346 ΦΩΣΦΟΡΙΚΑ (mg/lt) προσοµοίωση συγκέντρωσης νιτρικών ΕΞΕΛΙΞΗ ΦΩΣΦΟΡΙΚΩΝ PO4 (mg/l) 352 PO4 (mg/l) 351 PO4 (mg/l) 350 PO4 (mg/l) 349 PO4 (mg/l) 348 PO4 (mg/l) 347 PO4 (mg/l) /02/2 14/05/2 22/08/2 30/11/2 10/03/2005 ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ προσοµοίωση συγκέντρωσης φωσφορικών ΙΑΛΥΜΕΝΟ ΟΞΥΓΟΝΟ (mg/lt) ΕΞΕΛΙΞΗ ΙΑΛΥΜΕΝΟΥ ΟΞΥΓΟΝΟΥ /02/2 14/05/2 22/08/2 30/11/2 10/03/2005 ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ Oxygen (mg/l) 352 Oxygen (mg/l) 351 Oxygen (mg/l) 350 Oxygen (mg/l) 349 Oxygen (mg/l) 348 Oxygen (mg/l) 347 Oxygen (mg/l) 346 προσοµοίωση συγκέντρωσης διαλυµένου οξυγόνου

12 ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ Υ ΑΤΩΝ ΤΗΣ ΛΙΜΝΗΣ ΣΜΟΚΟΒΟΥ ΧΛΩΡΟΦΥΛΛΗ (µg/lt) ΕΞΕΛΙΞΗ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗΣ ΧΛΩΡΟΦΥΛΛΗΣ /02/2 14/05/2 22/08/2 30/11/2 10/03/2005 ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ Chl-α 346 Chl-α 347 Chl-α 348 Chl-α 349 Chl-α 350 Chl-α 351 Chl-α 352 προσοµοίωση συγκέντρωσης χλωροφύλλης Επιπρόσθετα πραγµατοποιήθηκε προσοµοίωση της λειτουργίας του ταµιευτήρα για κάθε σενάριο, µε τις ίδιες συνθήκες, για τρία ακόµη χρόνια έτσι ώστε να διαπιστωθεί η συµπεριφορά των θρεπτικών για µεγαλύτερο χρονικό διάστηµα. Τα αποτελέσµατα έδειξαν την ίδια συµπεριφορά µε το διάστηµα 4/2/2 16/6/2005. Τόσο κατά τη διαδικασία της προσοµοίωσης όσο και από τις υπάρχουσες εργαστηριακές µετρήσεις γίνεται φανερό ότι η ποιότητα των υδάτων της λίµνης Σµοκόβου είναι πολύ καλή. Οι χαµηλές ποσότητες θρεπτικών και χλωροφύλλης αλλά και η γενικότερη εικόνα του ταµιευτήρα (βλ.παράρτηµα) αποδεικνύουν τα παραπάνω. Ακόµη και τους θερινούς µήνες όπου εµφανίζονται και οι µέγιστες τιµές, αυτές δεν είναι ανησυχητικές. Το ίδιο ισχύει και για την διακύµανση της στάθµης στον ταµιευτήρα. Αν και η προσοµοίωση µε ελάχιστη στάθµη το +346 δείχνει σηµαντικές αποκλίσεις στα ποιοτικά µεγέθη οι τιµές τους παραµένουν αρκετά χαµηλές. Παρόλα αυτά µπορούν να εξαχθούν χρήσιµα συµπεράσµατα για τη συµπεριφορά των θρεπτικών και να προβλεφθεί η εξέλιξη της συγκέντρωσής τους στο µέλλον αν διαφοροποιηθούν οι χρήσεις γης και αυξηθεί η τουριστική κίνηση στην περιοχή.

13 ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ Υ ΑΤΩΝ ΤΗΣ ΛΙΜΝΗΣ ΣΜΟΚΟΒΟΥ ABSTRACT The main object of this postgraduate thesis is the inquiry of the water quality in Lake Smokovo. Due to the need of creating reservoirs which can help in dealing with the great lack of irrigation and drinkable water and at the same time be used as tourist resorts, it is important to examine all these characteristics that can ensure the quality of the water aesthetic and health parameters. The lake Smokovo is a very good example of a reservoir, constructed in order to assist in solving the problem of Thessaly water equilibrium and expected to increase the number of tourists in the area. The ecosystem model AQUATOX, which was used for modelling water quality in Smokovo Lake, is one of the few general ecological risk models that represents the combined environmental fate and effects of toxic chemicals. The model also represents conventional pollutants, such as nutrients and sediments, and considers several trophic levels, including attached and planktonic algae, submerged aquatic vegetation, several types of invertebrates, and several types of fish. It has been implemented for streams, small rivers, ponds, lakes, and reservoirs. The common pollutants which can aggravate the water quality in a reservoir lake derive from the land use in its watershed. The Smokovo watershed is mainly covered from forests and grassland. In spite of that, there is a very important part of the watershed which is used for agriculture. This part used to be a lake which was desiccated many years ago and nowadays is cultivated according to scientific methods. These methods concern the reduction of fertilizers in order to control nitrogen pollution. The residents of villages in the lakes watershed are mainly involved with agriculture and stock breeding. As a result the main pollutants of this lake are nitrogen and phosphate. Nutrients ending in the lake were mainly approached by using data from the National Statistics Agency based on the 2001 census. These facts were used for the estimation of land use and the number of the inhabitants in the watershed. Estimations from a similar research considering the water quality of N. Plastiras lake, which is in the same county, were also used. After this the annual and monthly point source and non-point source loadings of nutrients were estimated. Apart from estimations for nutrients, hydrologic data were necessary in order to achieve an accurate assimilation of the water quality. The outflow was considered steady in annual basis since it is very unlikely to be reduced in the future because of

14 ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ Υ ΑΤΩΝ ΤΗΣ ΛΙΜΝΗΣ ΣΜΟΚΟΒΟΥ the great agricultural needs for water in the area. Inflow was one of the models variables, due to the lack of reliable hydrologic data for the watershed. There were seven considerations about the inflow, each of them based on the range of the annual run off estimated in the dam study. The incoming loadings and diversion in the lake were used as data in the model. Assimilation was based on equation of mass balance which are concisely presented. a. Nitrogen Two nitrogen compartments, ammonia and nitrate, are modelled. Nitrite occurs in very low concentrations and is rapidly transformed through nitrification and denitrification therefore, it is modeled with nitrate. Likewise, un-ionized ammonia (NH3) is not modeled as a separate state variable. Ammonia is assimilated by algae and macrophytes and is converted to nitrate as a result of nitrification: dnh 4 = Loading Excrete + Decompose Nitrify AssimilationNH 4 dt Washout ± TurbDiff dnh 4 : change in concentration of ammonia with time (g/m 3 d). dt Loading : η loading of nutrient from inflow (g/m 3 d). Excrete : ammonia derived from excretion by animals (g/m 3 d). Decompose : ammonia derived from decomposition of detritus (g/m 3 d). Nitrify : nitrification (g/m 3 d). Assimilati on NH 4 : assimilation of nutrient by plants (g/m 3 d). Washout : loss of nutrient due to being carried downstream (g/m 3 d). TurbDiff : depth-averaged turbulent diffusion between epilimnion and hypolimnion if stratified (g/m 3 d).

15 ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ Υ ΑΤΩΝ ΤΗΣ ΛΙΜΝΗΣ ΣΜΟΚΟΒΟΥ Detritus Animals Atmosphere Decomposition Excretion Denitrification Ammonia Nitrification Nitrate & Nitrite Assimilation Assimilation Plants Plants b. Nitrification and Denitrification The maximum rate of nitrification, corrected for the area to volume ratio, is reduced by limitation factors for suboptimal dissolved oxygen and ph, similar to the way that decomposition is modeled, but using the more restrictive correction for suboptimal temperature used for plants and animals: N = K N AREA V DO C * T * ph * NH C where: N : nitrification rate (g/m 3 d); K N : maximum rate of nitrification (0.135 m/d, according to Effler et al.1996) Area : area of site or segment (m 2 ); Volume : volume of site or segment (m 3 ) DO C : correction for anaerobic conditions (unitless) T C r : correction for suboptimal temperature (unitless) ph C : correction for suboptimal ph (unitless) NH 4 : concentration of ammonia (g/m 3 ). In contrast, denitrification (the conversion of nitrate and nitrite to free nitrogen) is an anaerobic process, so that DOCorrection enhances the process. D = K ( 1 DO ) Tc * phc * NO where: D C c 3 4

16 ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ Υ ΑΤΩΝ ΤΗΣ ΛΙΜΝΗΣ ΣΜΟΚΟΒΟΥ D : denitrification rate (g/m 3 d) K D : maximum rate of denitrification (0.1 m/d) NO 3 : concentration of nitrate (g/m 3 ) Furthermore, it is accomplished by a large number of reducing bacteria under anaerobic conditions and with broad environmental tolerances c. Phosphorus The phosphorus cycle is much simpler than the nitrogen cycle. Decomposition, excretion, and assimilation are important processes that are similar to those described above: dp = LoadFracAvail + Excrete + Decompose Assimilation dt Washout ± TurbDiff P Excrete = Σbiot(Corg2Phosphate* Excretion BIOTA ) Decompose = Σ Assimilation DET ( org2phoshate * DecompositionDET ) = Σplant(PhotosynthesisPLANT * Uptake phosphorus ) where: dp/dt = change in concentration of phosphate with time (g/m 3 d); Loading = loading of nutrient from inflow and atmospheric deposition (g/m 3 d); FracAvail = fraction of phosphate loading that is available (unitless) Excrete = phosphate derived from excretion by biota (g/m 3 d) Decompose = phosphate derived from decomposition of detritus (g/m 3 d) Assimilation = assimilation by plants (g/m 3 d); Washout = loss due to being carried downstream (g/m 3 d) Area = area of site (m 2 ) Volume = volume of water at site (m 3 ) Org2Phosphate = ratio of phosphate to organic matter (unitless); Excretion = excretion rate for given organism (g/m 3 d) Decomposition = decomposition rate for given detrital compartment (g/m 3 d) Photosynthesis = rate of photosynthesis (g/m3"d), and Uptake = fraction of photosynthate that is phosphate (unitless, 0.018).

17 ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ Υ ΑΤΩΝ ΤΗΣ ΛΙΜΝΗΣ ΣΜΟΚΟΒΟΥ Phytoplangton death endogenous breath Organic Phosphorus composition Inorganic Phosphorus Suplly Precipitation BED DEPOSITIONS Site characteristics like the lakes length or reach, its volume, the mean depth and data concerning temperature, wind and solar radiation play a very important role in modelling water quality. Temperature is an important controlling factor in the model. Virtually all processes aretemperature-dependent. These include stratification; biotic processes such as decomposition, photosynthesis, consumption, respiration, reproduction, and mortality; and chemical fate processes such as microbial degradation, volatilization, hydrolysis, and bioaccumulation. On the other hand, temperature rarely fluctuates rapidly in aquatic systems. Default water temperature loadings for the epilimnion and hypolimnion are represented through a simple sine approximation for seasonal variations (Ward, 1963) based on user-supplied observed means and ranges. In this case the temperature estimation was based on the observations of the National Agency of Meteorology for the county and an equation used in the study of N. Plastiras Lake. Light is important as the controlling factor for photosynthesis and photolysis. The default incident light function was formulated for AQUATOX and is a variation on the temperature equation : Irange Io = Im ean + * sin( * td 1.76) 2 όπου: Ιο: average daily incident light intensity (Ly) Imean: mean annual light intensity (Ly) Irange: annual range in light intensity (Ly) td: time in days begging in January 1 st.

18 ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ Υ ΑΤΩΝ ΤΗΣ ΛΙΜΝΗΣ ΣΜΟΚΟΒΟΥ The derived values are given as average light intensity in Langleys per day where1ly/d =10Kcal/m 2 *d). Photoperiod is an integral part of the photosynthesis formulation. It is approximated using the Julian date following the approach of (Stewart 1975) Day 12 + A* cos( ) Photoperio d = όπου: Photoperiod: fraction of the day with daylight (unitless), converted from hours by dividing by 24. Α : hours of daylight minus 12 (hr) Day : time in days begging in January 1 st. A is the difference between the number of hours of daylight at the summer solstice at a given latitude and the vernal equinox, and is given by a linear regression developed by Groden (1977): A = * Latitude * S * where: Latitude latitude (, decimal), negative in southern hemisphere and S : 1.0 in northern hemisphere, -1.0 in southern hemisphere. The wind velocity was supplied by the user according to data concerning the watershed. Since its not a very important parameter an annual mean value was considered satisfying and representative of the wind velocity in the lakes area. The first modelling scenario was used for the evaluation of the prognostic ability of the water. In this case the minimum water-level for the period of modeling (4/2/2-16/6/2005) was The above time period was selected because several laboratory tests concerning nutrients took place by the local water-supply agency. Inflow of water was estimated 185*10 6 m 3 and outflow 144*10 6 m 3. In comparison to the laboratories tests the modelling results were very satisfying. In this basis six more scenarios were examined. In each one of these the only parameter that changed was the inflow water. According to the modelling results the main conclusion was that when the water-level in the lake is low the nutrients concentration increases. However the dissolved oxygen and chlorophyll concentrations don t seem to be influenced from the water level. All the above are clearly presented in the following diagrams.

19 ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ Υ ΑΤΩΝ ΤΗΣ ΛΙΜΝΗΣ ΣΜΟΚΟΒΟΥ AMMONIA Ammonia (mg/lt) /02/2 25/03/2 14/05/2 03/07/2 22/08/2 11/10/2 30/11/2 19/01/ /03/ /04/2 005 NH4-346 NH4-347 NH4-348 NH4-349 NH4-350 NH4-351 DATE NH4-352 results of modelling for ammonia NITRATE (mg/lt) NITRATE /02/2 14/05/2 22/08/2 30/11/2 10/03/2005 DATE NO3 (mg/l) 352 NO3 (mg/l) 351 NO3 (mg/l) 350 NO3 (mg/l) 349 NO3 (mg/l) 348 NO3 (mg/l) 347 NO3 (mg/l) 346 results of modelling for nitrate PHOSPHATE PO4 (mg/l) 352 PO4 (mg/l) 351 PO4 (mg/l) PO4 (mg/l) 349 Phosphate (mg/lt) PO4 (mg/l) 348 PO4 (mg/l) 347 PO4 (mg/l) /02/2 14/05/2 22/08/2 30/11/2 10/03/2005 DATE results of modelling for phosphate

20 ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ Υ ΑΤΩΝ ΤΗΣ ΛΙΜΝΗΣ ΣΜΟΚΟΒΟΥ DISSOLVED OXYGEN Oxygen (mg/l) 352 Oxygen (mg/l) 351 Oxygen (mg/l) 350 Disolved oxygen (mg/lt) /02/2 25/03/2 14/05/2 03/07/2 22/08/2 11/10/2 30/11/2 19/01/ /03/2 005 Oxygen (mg/l) 349 Oxygen (mg/l) 348 Oxygen (mg/l) 347 Oxygen (mg/l) /04/2 005 DATE results of modelling for dissolved oxygen 2.5 CLOROPHYLL Chlorophyll (µg/lt) /02/2 25/03/2 14/05/2 03/07/2 22/08/2 11/10/2 DATE 30/11/2 19/01/ /03/ /04/2 005 Chl-α 346 Chl-α 347 Chl-α 348 Chl-α 349 Chl-α 350 Chl-α 351 Chl-α 352 results of modelling for chlorophyll Additionally the water quality was modelled for the same scenarios but this time for a longer time period (4 years), in order to examine the nutrients and chlorophyll reaction to time. The results were almost the same with those from the sorter time period. According to the results of modelling, the quality of water in Smokovo lake is very good. Nutrient and chlorophyll concentration remain low in all scenarios and all times of the year. As an example although nitrate summer concentration is almost 40% higher when water-level is low it is not affecting the water quality. However this is indicative of the nitrate reaction to low water-levels and it can lead to useful conclusions. If the land uses in the watershed change or the lake becomes a tourist