Μελέτη της Eπίδρασης των Yδρολογικών Παραµέτρων σε ένα Λιµναίο Οικοσύστηµα

Transcript

1 Ολοκληρωµένη ιαχείριση Υδατικών Πόρων 139 Μελέτη της Eπίδρασης των Yδρολογικών Παραµέτρων σε ένα Λιµναίο Οικοσύστηµα Κ. Χ. ΖΙΩΓΑΣ Κ. Β. ΜΠΕΛΛΟΣ Υπ. ιδάκτορας.π.θ. Αν. Καθηγητής.Π.Θ. Περίληψη Σκοπός της µελέτης αυτής είναι η ανάλυση των επιδράσεων δύο σηµαντικών παραγόντων, της φυτοκάλυψης και της κλίσης των ορεινών χειµάρρων, στις πληµµυρικές αιχµές και στη µεταφορά φερτών υλών σε ευαίσθητα οικοσυστήµατα. Ως οικοσύστηµα µελέτης επιλέχθηκε το ευαίσθητο οικοσύστηµα της λίµνης Βιστωνίδας, το οποίο βρίσκεται στη Θράκη και αποτελείται από τους ορεινούς χειµάρρους του Κόσυνθου, του Κοµψάτου, του Τραύου και της λιµνοθάλασσας της Βιστωνίδας. Το οικοσύστηµα της Βιστωνίδας προστατεύεται από τη συνθήκη Ramsar και θεωρείται πρώτης προτεραιότητας για το δίκτυο Natura 2. Η σηµασία των παραγόντων της φυτοκάλυψης και της κλίσης των ορεινών χειµάρρων στις πληµµυρικές αιχµές και στη µεταφορά φερτών υλών στο εν λόγω οικοσύστηµα διερευνάται µε τη χρήση υποθετικών σεναρίων (βαθµιαία καταστροφή µέρους της δασικής έκτασης του οικοσυστήµατος ή βαθµιαία βελτίωση των κλίσεων των υδατορευµάτων µε τη δηµιουργία αναβαθµών). Το οικοσύστηµα προσοµοιώνεται µε τη χρήση ενός σύνθετου υδρολογικού µοντέλου και απαρτίζεται από το υποµοντέλο βροχόπτωσης απορροής (HEC HMS), το υποµοντέλο επιφανειακής διάβρωσης (Schmidt) και το υποµοντέλο µεταφοράς φερτών υλών σε υδατορεύµατα (Yang). Abstract In this paper, the effects of two important hydrologic factors, vegetation and bed slope, on flood propagation and on morphological changes in sensitive ecosystems during an extreme flood event are investigated. The ecosystem of Vistonida Lagoon, which is located in Thrace, in the Prefecture of Xanthi, is considered as study ecosystem. This very vital ecosystem consists of three mountain rivers, Kosynthos, Kompsatos and Travos that via plain area discharge into the Vistonis Lagoon. The importance of this sensitive ecosystem is globally known; as it is protected by the Ramsar Treaty and is considered to be of first priority in the network Natura 2 of the European Union. The importance of the hydrologic factors, vegetation and bed slope, for the flood peaks and in sediment transport is investigated with hypothetical scenarios, which are moved in two opposite directions, the direction of a destabilization in the ecosystem balance by disappearing part of the mountain forest land (e.g. by fire), and the direction of flattening of the bed slope (e.g. by creating river sills) that benefits the ecosystem balance. In order to draw some conclusions, these scenarios are modelled with a complex physically-based model, which consists of a rainfall runoff submodel, a soil erosion submodel and a sediment transport submodel. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η παρακολούθηση και ανάλυση των πληµµυρικών γεγονότων, κυρίως µέσα από τις επιπτώσεις τους, αποτελεί µια πολύ σηµαντική παράµετρο της κοινωνικής εξέλιξης. Γι αυτό, και το εν λόγω ζήτηµα απασχόλησε τον άνθρωπο από την αρχαιότητα, ο οποίος χρησιµοποίησε και δηµιούργησε εργαλεία για την βέλτιστη κατανόηση των πληµµυρών µε απώτερο σκοπό τη µείωση της εξάρτησής του από τη φύση. Τα τελευταία χρόνια, τα ακραία πληµµυρικά γεγονότα και οι δυσµενείς επιπτώσεις στην οικονοµική και κοινωνική ζωή βρίσκονται στην επικαιρότητα και ως εκ τούτου απαιτείται όσο το δυνατόν ακριβέστερη και πληρέστερη πρόβλεψη και ανάλυση των φαινοµένων αυτών για την αποτελεσµατική αντιµετώπισή τους. Η διαδικασία ανάπτυξης ενός πλήρους υδροµορφολογικού µοντέλου δύναται να διακριθεί σε τέσσερα στάδια: α. Την εγκατάσταση συστήµατος υδροµετεωρολογικών σταθµών που συλλέγουν υδρολογικά και µετεωρολογικά δεδοµένα στην περιοχή µελέτης. β. Την ανάλυση των δεδοµένων αυτών µε στατιστικές ή στοχαστικές µεθόδους, µε σκοπό την πρόβλεψη της συχνότητας των ακραίων φαινοµένων. γ. Τη δηµιουργία ή επιλογή κατάλληλου µοντέλου βροχόπτωσης απορροής που µετατρέπει τις βροχοπτώσεις σε πληµµυρικά γεγονότα. δ. Τη δηµιουργία ή επιλογή µοντέλου επιφανειακής διάβρωσης στερεοµεταφοράς που εκτιµά την ποσότητα φερτών υλών που διαβρώνεται ή εναποτίθεται σε σηµεία της περιοχής µελέτης. Το δεύτερο στάδιο της δηµιουργίας ενός υδροµορφολογικού µοντέλου αποσκοπεί στην ανάλυση της συχνότητας ενός µελλοντικού επεισοδίου βροχής. Αυτό γίνεται είτε µε τη χρησιµοποίηση στατιστικών µεθόδων µε την παραδοχή ότι οι µεταβλητές είναι ανεξάρτητες µεταξύ τους, είτε µε στοχαστικές µεθόδους οι οποίες προσοµοιώνουν καλύτερα την πραγµατικότητα

2 14 καθώς θεωρούν ότι οι µεταβλητές είναι εξαρτηµένες µεταξύ τους κατά τη ροή στο χρόνο. Οι απαρχές των προσπαθειών προσοµοίωσης του τρίτου σταδίου, των διαδικασιών βροχόπτωσης-απορροής παρατηρούνται στο δεύτερο µισό του 19 ου αιώνα. Kατά τη διάρκεια της περιόδου αυτής, οι περισσότεροι µηχανικοί χρησιµοποιούσαν είτε εµπειρικούς τύπους, είτε την ορθολογική µέθοδο, η οποία µπορεί να χαρακτηριστεί ως η πρώτη ορθολογική προσέγγιση του προβλήµατος πρόβλεψης απορροής από βροχοµετρικά δεδοµένα [1,2]. Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 192, όταν χρειάστηκε η αντίστοιχη µέθοδος να εφαρµοσθεί σε µεγαλύτερες λεκάνες, έγιναν πολλές τροποποιήσεις στην ορθολογική µέθοδο ώστε να µπορεί να προσοµοιωθεί η ανοµοιόµορφη κατανοµή, στο χώρο και στο χρόνο, της βροχόπτωσης και τα χαρακτηριστικά της λεκάνης [3]. Μεγάλη πρόοδος στην προσοµοίωση των διαδικασιών έγινε στη δεκαετία του 195, όταν οι υδρολόγοι βρήκαν τεχνικές, όπως οι µετασχηµατισµοί Laplace ή Fourier, που µετέτρεπαν τη γραµµική, αµετάβλητη λεκάνη απορροής σε δυναµικό σύστηµα. Έτσι δηµιουργήθηκαν τα πρώτα νοητικά µοντέλα, βασισµένα στις αρχές της υδραυλικής (physically based models). Για τη διακριτοποίηση του µοναδιαίου υδρογραφήµατος χρησιµοποιήθηκαν απλοποιητικές διαφορικές εξισώσεις, όπως αυτή που περιγράφει την συµπεριφορά της αποθηκευτικότητας µιας δεξαµενής ή µιας σειράς δεξαµενών ως συνάρτηση του χρόνου [4]. Έτσι, το µοναδιαίο υδρογράφηµα µπορούσε να περιγραφεί µε παραµέτρους που µπορούσαν να εκτιµηθούν από τα χαρακτηριστικά της λεκάνης ή µε στατιστικούς όρους, όπως ροπές παλινδρόµησης και µέθοδο µέγιστης πιθανοφάνειας. O προσδιορισµός του σχήµατος του µοναδιαίου υδρογραφήµατος από πραγµατικά δεδοµένα, µόνο µε τη χρήση των µετασχηµατισµών, δεν ήταν ικανοποιητικός, αλλά µε την εισαγωγή των περιορισµών της συνέχειας και της κανονικότητας έγινε πιο ρεαλιστικός και ικανοποιητικός [5-8]. Στη δεκαετία του 196 έγινε επιτακτική η ανάγκη προσοµοίωσης των διαδικασιών βροχόπτωσης- απορροής µε τρόπο πιο ρεαλιστικό, που να στηρίζεται περισσό-τερο στη φύση των διαδικασιών αυτών και να χρησιµοποιείται σε σύνθετες λεκάνες µε διαφορετικά εδάφη, βλάστηση και κλίση. Μοντέλα όπως το Dawdy O Donnel, Stanford IV, Sacramento River και Tank έκαναν την εµφάνισή τους [9-11]. Η πληθώρα των παραµέτρων που απαιτούνται στα παραπάνω µοντέλα οδηγεί πολλές φορές σε µη ρεαλιστικά αποτελέσµατα. Η λύση στο παραπάνω πρόβληµα ήταν η έµµεση εισαγωγή των εξισώσεων συνέχειας και ορµής στα παραπάνω µοντέλα ως κριτήριο της αξιοπιστίας των αποτελεσµάτων. Με βάση την ιδέα αυτή το Υδραυλικό Ινστιτούτο της ανίας δηµιούργησε το SHE και το US Corps of Engineers δηµιούργησε το µοντέλο VISUAL HEC και την εξέλιξή του, το HEC- HMS, που χρησιµοποιείται στην παρούσα εργασία [12-14]. Υδρολογία, Ποιότητα και ιαχείριση Επιφανειακών Νερών Ένα βασικό τµήµα της διαδικασίας βροχόπτωση - πληµµύρα αποτελεί η διόδευση της πληµµύρας. Οι µελέτες της διόδευσης πληµµύρων στηρίζονται: α) σε απλοποιητικές µεθόδους που προέρχονται από τις εξισώσεις συνέχειας και αποθήκευσης (υδρολογικές µέθοδοι) ή β) σε µεθόδους που στηρίζονται στην αριθµητική επίλυση των εξισώσεων ασταθούς ροής σε ανοιχτούς αγωγούς, γνωστών ως εξισώσεων St. Venant. Τα περισσότερα από τα υδραυλικά µοντέλα διόδευσης πληµµυρών χρησιµοποιούν σταθερές παραµέτρους, και αναπτύχθηκαν βασιζόµενα στην παραδοχή της γραµµικότητας, η οποία ευρίσκεται σε αντίθεση µε τη µη γραµµική εν γένει συµπεριφορά των πληµµυρικών κυµάτων. Τα µοντέλα που χρησιµοποιούν σταθερές παραµέτρους, η µέθοδος της αναλογίας της διάχυσης και τα νοητικά µοντέλα Muskingum, για τη διόδευση πληµµυρών, είναι κατάλληλα µόνο όταν ικανοποιείται η εξής συνθήκη: η διακύµανση της παροχής µελέτης, η οποία χρησιµοποιείται για την εκτίµηση των παραµέτρων, είναι µικρή [15-18]. Για να αρθεί αυτός ο περιορισµός, έχουν προταθεί µέθοδοι διόδευσης πληµµυρών µεταβλητών παραµέτρων, όπως η µέθοδος διάχυσης και τα µοντέλα πολλαπλής γραµµικότητας [19-22]. Οι Ponce & Yevjevich πρότειναν την µέθοδο VPMC, στην οποία οι παράµετροι της µεθόδου Muskingum διαφοροποιούνται σε κάθε χρονικό βήµα διόδευσης [23]. Το τέταρτο στάδιο ανάπτυξης ενός υδροµορφολογικού µοντέλου είναι η προσοµοίωση της επιφανειακής διάβρωσης και της στερεοµεταφοράς. Γενικά, υπάρχουν δύο κατηγορίες µοντέλων για την εκτίµηση της επιφανειακής διάβρωσης, τα εµπειρικά και τα µοντέλα που στηρίζονται στις αρχές της φυσικής. Τα πιο αντιπροσωπευτικά εµπειρικά µοντέλα είναι αυτά που στηρίζονται στις εξίσωση USLE και ΜUSGRAVE και στις τροποποιήσεις των εξισώσεων αυτών [24]. Στα µοντέλα που στηρίζονται στις αρχές της φυσικής, η επιφανειακή διάβρωση χωρίζεται σε αυλακωτή και κηλιδωτή (διάβρωση µεταξύ των αυλακιών). Η διαδικασία της επιφανειακής διάβρωσης χωρίζεται και αυτή σε φυσικές υποδιαδικασίες. Αυτές δίνονται µέσα από µαθηµατικές εξισώσεις, είναι δε: η διόδευση του νερού, η εναπόθεση και η επαναδιόδευσή του [25-28]. Τα µοντέλα µεταφοράς φερτών υλών σε υδατορεύµατα χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: στα µοντέλα που βασίζονται στις αρχές της υδραυλικής και στα νοητικά µοντέλα που στηρίζονται στην αριθµητική λύση βασικών υδραυλικών διαφορικών εξισώσεων, στα οποία πολλοί µελετητές εξέτασαν την επίδραση της κοκκοµετρικής διαβάθµισης των φερτών στη διαδικασία της µεταφοράς [29-35]. Σε αυτό το άρθρο, ως βροχόπτωση µελέτης χρησιµοποιήθηκε η βροχόπτωση που προκύπτει από τις όµβριες καµπύλες των λεκανών του Κοσύνθου και του Κοµψάτου, οι οποίες προέκυψαν µετά από στατιστική επεξεργασία των βροχοµετρικών δεδοµένων των υδροµετεωρολογικών σταθµών Εχίνου, Ωραίου, Θερµών

3 Ολοκληρωµένη ιαχείριση Υδατικών Πόρων 141 και καπνικού σταθµού Ξάνθης, µε περίοδο επαναφοράς 1 χρόνων και διάρκεια βροχόπτωσης 12 ωρών. Στο τρίτο στάδιο ανάπτυξης του πλήρους υδροµορφολογικού µοντέλου χρησιµοποιήθηκε το γνωστό µοντέλο βροχόπτωσης-απορροής HEC-HMS, ενώ για την ποσοτικοποίηση των φερτών υλών που µεταφέρονται στη Βιστωνίδα, χρησιµοποιήθηκε το σύνθετο µοντέλο επιφανειακής διάβρωσης - στερεο- µεταφοράς Schmidt-Yang and Stall. 2. ΣΥΝΤΟΜΗ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΜΟΝΤΕΛΩΝ 2.1. Μοντέλο βροχόπτωσης απορροής Ένα από τα πιο διαδεδοµένα µοντέλα βροχόπτωσηςαπορροής, που χρησιµοποιούνται τα τελευταία χρόνια, είναι το µοντέλο HEC-HMS. Το HEC-HMS περιλαµβάνει ένα σύνολο µοντέλων βροχόπτωσης απορροής, όπως τα SCS, Kinematic Wave, Klark, Snyder και διόδευσης πληµµυρικών απορροών, όπως Muskingum- Cunge std, Muskingum-Cunge 8 point, Straddle-Straggle, Kinematic Wave, Modified Pulse. Στη συγκεκριµένη εφαρµογή χρησιµοποιήθηκε το µοντέλο βροχόπτωσης - απορροής της SCS, σε συνδυασµό µε την υδρολογική µέθοδο διόδευσης Muskingum Cunge std Μοντέλο επιφανειακής διάβρωσης Η βασική ιδέα του υποµοντέλου επιφανειακής διάβρωσης στηρίζεται στην παραδοχή ότι η διαβρωτική δύναµη των σταγονιδίων της βροχής και της επιφανειακής απορροής είναι ανάλογη της ροής της ορµής που περικλείεται στα σταγονίδια και στην απορροή αντίστοιχα. Η ροή της ορµής που ασκείται από την πτώση των σταγονιδίων, φ r ορίζεται ως εξής: φ r = r * A * ρ r * v r * sina * C (1) όπου: r: η ενεργός ένταση της βροχής Α: η έκταση της θεωρούµενης επιφάνειας ρ r : η πυκνότητα των σταγονιδίων της βροχής v r : η µέση ταχύτητα πτώσης των σταγονιδίων a: η γωνία κλίσης της εδαφικής επιφάνειας C: ο δείκτης εδαφοκάλυψης που λαµβάνει υπόψη την επίδραση της εδαφοκάλυψης στην πρόσκρουση σταγόνων της βροχής. Η ταχύτητα πτώσης των σταγόνων εκτιµάται βάσει των δεδοµένων της έντασης της βροχής χρησιµοποιώντας την εξίσωση : v r = 4.5 * r.12 (2) Παρόµοια µε την εξίσωση (1), η ροή της ορµής που ασκείται από την απορροή, φ q, ορίζεται ως: φ q = q * ρ q * y * v q (3) όπου: q: η παροχή ανά µονάδα πλάτους ρ q : η πυκνότητα του υγρού y: το πλάτος της θεωρούµενης επιφάνειας v q : η µέση ταχύτητα ροής, η οποία µπορεί να ληφθεί από την εξίσωση του Manning. Σε ένα παραπέρα βήµα µοντελοποίησης εισάγεται µια κρίσιµη ροή της ορµής φ crit ώστε να προσδιοριστεί η διαβρωσιµότητα του εδάφους: φ crit = q crit * ρ q * y * v q (4) όπου q crit είναι η παροχή ανά µονάδα πλάτους κατά την αρχική διάβρωση. Οι ροές της ορµής των σταγονιδίων και της επιφανειακής απορροής µπορούν να συνδυαστούν µε την κρίσιµη ροή της ορµής για να πάρουµε ένα αδιάστατο συντελεστή Ε: Ε= (φ r+ φ q )/φ crit (5) Αυτός ο συντελεστής χαρακτηρίζει την ικανότητα µιας δεδοµένης ροής να αποκολλήσει σωµατίδια από την επιφάνεια και να τα µεταφέρει. Η διάβρωση λαµβάνει χώρα όταν Ε>1, που σηµαίνει ότι οι δυνάµεις που δηµιουργούνται κατά την πρόσκρουση των σταγονιδίων και από την επιφανειακή απορροή υπερβαίνουν τη συνοχή των σωµατιδίων του εδάφους. Η περίπτωση Ε 1 χαρακτηρίζει την κατάσταση ροής χωρίς διάβρωση. Για ποσοτικά αποτελέσµατα ο συντελεστής διάβρωσης Ε συσχετίζεται µε πειραµατικά δεδοµένα: q s = (1.7 * E 1.7) *1-4 (6) όπου q s είναι η στερεοπαροχή ανά µονάδα πλάτους. Τα σωµατίδια που αποκολλώνται από την επιφάνεια µπορούν να µεταφερθούν κατάντη, µόνο αν η καθίζηση σωµατιδίων λόγω βαρύτητας επιβραδυνθεί ή εµποδιστεί από την κατακόρυφη συνιστώσα της ροής. Η ταχύτητα καθίζησης των σωµατιδίων σε ηρεµούντα υγρά περιγράφεται από την εξίσωση του STOKES. Αν η ταχύτητα καθίζησης v p πολλαπλασιαστεί µε την παροχή µάζας των σωµατιδίων που καθιζάνουν w p (όπου w p = c * ρ p * A* v p ), λαµβάνουµε την κρίσιµη ροή της ορµής των αιωρούµενων σωµατιδίων, φ p,crit, πάνω από την οποία τα σωµατίδια δεν αιωρούνται: φ p,crit = c * ρ p * A * v p 2 όπου: c: η συγκέντρωση των αιωρούµενων σωµατιδίων στο υγρό ρ p : η πυκνότητα των σωµατιδίων Α: η επιφάνεια της µελετώµενης περιοχής v p : η ταχύτητα πτώσης των σωµατιδίων. Η κατακόρυφη συνιστώσα της ροής της ορµής λόγω επιφανειακής απορροής, φ q,vert, που ανθίσταται στην κρίσιµη ροή της ορµής των αιωρούµενων σωµατιδίων φ p,crit, είναι ένα κλάσµα της συνολικής ροής της ορµής που (7)

4 142 ασκείται από την επιφανειακή απορροή και τις σταγόνες της βροχής: φ q,vert = (φ q +φ r )/κ (8) όπου κ είναι ένας εµπειρικός συντελεστής. Όταν επιτυγχάνεται η µεταφορική ικανότητα, η κατακόρυφη συνιστώσα της ροής της ορµής της επιφανειακής απορροής γίνεται ίση µε την κρίσιµη ροή της ορµής των αιωρούµενων σωµατιδίων, όπως ορίστηκε στην Εξ. (7): φ p,crit = φ q,vert Με αντικατάσταση των Εξ. (7) και (8) στην Εξ. (9) έχουµε: c max = (φ q +φ r )/( κ* ρ ρ * v ρ 2 ) (9) όπου c max είναι η συγκέντρωση των σωµατιδίων κατά τη µεταφορική ικανότητα (µέγιστη µεταφορά). Η µεταφορική ικανότητα προκύπτει από τη σχέση: q s,max = c max * ρ p * q (1) Η στερεοπαροχή ΕS προς ένα υδατόρευµα, προερχόµενη από τη διάβρωση της επιφάνειας του εδάφους, υπολογίζεται ως ακολούθως: Αν η διαθέσιµη στερεοπαροχή, q s, στη λεκάνη του υδατορεύµατος υπερβαίνει τη µεταφορική ικανότητα φερτών υλών από την επιφανειακή ροή, q s,max, τότε θα συµβεί απόθεση στη λεκάνη και η µεταβαλλόµενη στερεοπαροχή προς το υδατόρευµα θα ισούται µε τη µεταφορική ικανότητα της επιφανειακής ροής. Αν η διαθέσιµη στερεοπαροχή στη λεκάνη είναι µικρότερη από τη µεταφορική ικανότητα στερεών υλών της επιφανειακής ροής και οι διαβρωτικές δυνάµεις της ροής υπερβαίνουν την αντίσταση στην αποκόλληση του εδάφους, τότε συµβαίνει αποκόλληση. Σ αυτήν την περίπτωση, οι φερτές ύλες που µεταφέρονται προς το υδατόρευµα είναι ίσες µε τη διαθέσιµη στερεοπαροχή. Αυτό συµβολίζεται στις παρακάτω σχέσεις: ES = q s,max, αν q s > q s,max (11) ES = q s, αν q s q s,max (12) Όµως στο υπό µελέτη υδατόρευµα µεταφέρεται στερεοπαροχή FLI και από άλλα υδατορεύµατα. Έτσι, η συνολική στερεοπαροχή ESI που µεταφέρεται προς το υδατόρευµα είναι: ESI = ES + FLI (13) Το βάθος της επιφανειακής απορροής υπολογίζεται από το µοντέλο HEC-HMS, ενώ το πλάτος της διαβρωµένης περιοχής υπολογίζεται ίσο µε το µήκος του κύριου υδατορεύµατος. Οι κύριες παράµετροι του µοντέλου επιφανειακής διάβρωσης είναι η ένταση της βροχόπτωσης, η τραχύτητα του εδάφους, η κλίση του εδάφους και η µέση διάµετρος των φερτών υλών. Υδρολογία, Ποιότητα και ιαχείριση Επιφανειακών Νερών 2.3. Μοντέλο µεταφοράς φερτών υλών στο υδατόρευµα Η στερεοπαροχή στην έξοδο του θεωρούµενου υδατορεύµατος δύναται να εκτιµηθεί βάσει της έννοιας της µεταφορικής ικανότητας του υδατορεύµατος σε φερτά: logc r = log(wD 5 /ν)-.457log(u * /w)+[ log(wd 5 /ν)-.314log(u * /w)]log(u s/w-u cr s/w) (14) u cr/w = 2.5 / [(logu * D 5 /ν)-.6] +.6, όταν 1.2 <u * D 5 /ν < 7 (15) u cr / w = 2.5, όταν u * D 5 /ν >7 (16) όπου c t : ολική συγκέντρωση φερτών υλών κατά βάρος (ppm) w: οριακή ταχύτητα καθίζησης αιωρούµενων σωµατιδίων (m/s) D 5 : διάµεση διάµετρος κόκκων (m) v: κινηµατικό ιξώδες νερού (m 2 /s) u * :διατµητική ταχύτητα ή ταχύτητα τριβής s : κλίση γραµµής ενέργειας u cr : κρίσιµη ταχύτητα ροής (m/s), η οποία χαρακτηρίζει την έναρξη της µεταφοράς κόκκων της κοίτης. Η στερεοπαροχή στη έξοδο της περιοχής µελέτης FLO υπολογίζεται µε τoν ίδιο τρόπο που υπολογίστηκε και η στερεοπαροχή ES στο προηγούµενο µοντέλο. Η πρόσθετη παράµετρος του παρόντος µοντέλου είναι η κλίση του θεωρούµενου κυρίου υδατορεύµατος. 3. ΕΦΑΡΜΟΓΗ Το υδροµορφολογικό µοντέλο που αναπτύσσεται στην παρούσα εργασία εφαρµόστηκε στο ευαίσθητο οικοσύστηµα της Βιστωνίδας που αποτελείται από τρεις υδρολογικές λεκάνες (Κόσυνθος-235 km 2, Τραύος-159 m 2, Κοµψάτος-57 km 2 ). Αποδέκτης του συστήµατος είναι η λιµνοθάλασσα της Βιστωνίδας, που έχει τοξοειδή µορφή µε µήκος υποτιθέµενης χορδής 11.5 km, διεύθυνση ΒΑ-ΝΑ, µέγιστο πλάτος 4.5 km και καταλαµβάνει έκταση περίπου 45 km 2 (Σχήµα 1). Η λιµνοθάλασσα της Βιστωνίδας έχει έντονο οικολογικό ενδιαφέρον λόγω της µεγάλης ποικιλίας σπάνιων πουλιών και ψαριών, που ζουν σε αυτή. Γι αυτό το λόγο προστατεύεται από τη συνθήκη Ramsar και θεωρείται πρώτης προτεραιότητας για το δίκτυο Natura 2. Ο λόγος για τον οποίο αποδίδεται ο χαρακτηρισµός ευαίσθητο σε αυτό το οικοσύστηµα συνίσταται σε δύο σηµαντικές παραµέτρους. Η πρώτη παράµετρος είναι η ποσότητα φερτών υλών που καταλήγει στη λιµνοθάλασσα µέσω των ορεινών χειµάρρων. Όπως έχει αποδειχτεί από έρευνες, είναι σηµαντικά µεγαλύτερη (115 m 3 ) από αντίστοιχα οικοσυστήµατα στον υπόλοιπο Ελλαδικό χώρο. Αυτό οφείλεται στο µεγάλο αριθµό των διακλάσεων, ρηγµατώσεων και άλλων ασυνεχειών που χαρακτηρίζουν εδαφολογικά και γεωλογικά την περιοχή, καθώς και στις µεγάλες κλίσεις

5 Ολοκληρωµένη ιαχείριση Υδατικών Πόρων 143 των ορεινών χειµάρρων που αποτελούν µέρος του οικοσυστήµατος. λεκάνης, κλίση υπολεκάνης, κλίση κύριου υδατορεύµατος, χρόνος συγκέντρωσης). Στη συνέχεια εφαρµόζεται το πρόγραµµα HEC-HMS (Σχήµα 2), µετά την εκτέλεση του οποίου εξάγονται τα απαραίτητα υδρολογικά στοιχεία για τη χρήση του µορφολογικού µοντέλου (ύψος απορροής για κάθε υπολεκάνη). Από την εφαρµογή των µοντέλων προκύπτει η παροχή αιχµής στο υδρογράφηµα εισόδου στη λιµνοθάλασσα της Βιστωνίδας (Σχήµατα 3,4), η οποία και για τα έξι σενάρια είναι 2752, 2435, 21, 19,183, 1785 m 3 /s αντίστοιχα. Σχήµα 1: Περιοχή µελέτης Η δεύτερη παράµετρος είναι η ιδιοµορφία της εξόδου της λιµνοθάλασσας προς τη θάλασσα, η οποία γίνεται µέσω ενός στενού διαύλου στο Πόρτο-Λάγος. Από µελέτες προκύπτει ότι σε έντονα πληµµυρικά φαινόµενα µεταβάλλεται απότοµα η στάθµη της λιµνοθάλασσας µε άµεση συνέπεια την ανατροπή των ισορροπιών στο οικοσύστηµα. Η ανατροπή αυτή συνίσταται, κυρίως, βραχυπρόθεσµα µεν στην απότοµη µεταβολή της αλατότητας στη λιµνοθάλασσα και µακροπρόθεσµα στη µείωση του βάθους λόγω των φερτών υλών. Τα γεγονότα αυτά µπορεί να προκαλέσουν τελικά την καταστροφή του οικοσυστήµατος. Η σηµασία των παραγόντων της φυτοκάλυψης και της κλίσης των ορεινών χειµάρρων στις πληµµυρικές αιχµές και στη µεταφορά φερτών υλών στο εν λόγω οικοσύστηµα διερευνάται µε τη χρήση ακραίων υποθετικών σεναρίων. Τα σενάρια αφορούν στη µεταβολή µεγάλης δασικής έκτασης στην ορεινή περιοχή του οικοσυστήµατος (π.χ. λόγω πυρκαγιάς) και τη µείωση της κλίσης των ορεινών χειµάρρων (π.χ. λόγω δηµιουργίας αναβαθµών). Το πρώτο στάδιο της προσοµοίωσης είναι η επιλογή της βροχόπτωσης µελέτης, χρησιµοποιώντας τις όµβριες καµπύλες των αντίστοιχων λεκανών µε περίοδο επαναφοράς 1 ετών και χρόνο βροχόπτωσης 12 ωρών. Το δεύτερο στάδιο της προσοµοίωσης αποτελεί η επεξεργασία χαρτών (τοπογραφικών, υδρολογικών, χαρτών χρήσης γης και λιθολογικών) και ο διαχωρισµός των υδρολογικών λεκανών των χειµάρρων σε υπολεκάνες (44 υπολεκάνες ο Κόσυνθος, 21 ο Κοµψάτος, 13 ο Τραύος) µε εµβαδόν που κυµαίνεται από 3 km 2 έως 2 km 2. Ο διαχωρισµός γίνεται µε κριτήριο την ύπαρξη ενός κύριου ρεύµατος σε κάθε υπολεκάνη. Με την επεξεργασία των χαρτών υπολογίζουµε παραµέτρους απαραίτητες για την εφαρµογή του υδρολογικού µοντέλου (αριθµός καµπύλης CN, µέσο υψόµετρο Σχήµα 2: Μοντέλο HEC-HMS FLOW (m^3/s) INFLOW INTO VISTONIS LAGOON TIME (HR) scenario 1 scenario 2 scenario 3 Σχήµα 3: Υδρογραφήµατα εισροής σεναρίων FLOW (m^3/s) INFLOW IN LAGOON VISTONIDA TIME (HR) scenario 4 scenario 5 scenario 6 Σχήµα 4: Υδρογραφήµατα εισροής σεναρίων

6 144 Από το τρίτο έως το πρώτο σενάριο υποτίθεται προοδευτική καταστροφή της φυτικής βλάστησης σε έκταση 15, 18, 265 km 2 αντίστοιχα. Στο τέταρτο σενάριο περιγράφεται η σηµερινή κατάσταση, ενώ στο πέµπτο και στο έκτο µειώνεται η µέση κλίση των υδατορευµάτων κατά 3%. Στο πέµπτο µειώθηκε η κλίση των κυρίων υδατορευµάτων ενώ στο έκτο µειώνεται στο σύνολο των υδατορευµάτων. Η στερεοπαροχή απεικονίζεται στο Σχήµα 5. Στο Σχήµα 6 απεικονίζεται η µέγιστη παροχή που διέρχεται από τους διαύλους για ένα από τα σενάρια. SEDIMENT LOAD m^3 5 SEDIMENT LOAD IN LAGOON VISTONIDA scenario1 scenario2 1 scenario 3 scenario 4 scenario 5 scenario 6 Σχήµα 5: Στερεοπαροχή Βιστωνίδας FLOW (m^3/s) INFLOW AND OUTFLOW OF VISTONIS LAGOON TIME (HR) INFLOW OUTFLOW Σχήµα 6: ιόδευση πληµµύρας µέσω διαύλων 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Το πλήρες υδροµορφολογικό µοντέλο περιγράφει ικανοποιητικά το υδρολογικό µέρος µίας ακραίας βροχόπτωσης καθώς επίσης και το µορφολογικό, όπως έχει αποδειχθεί από παλαιότερες έρευνες του Εργαστηρίου Υδραυλικής και Υδρολογίας του.π.θ. [37]. Όπως φαίνεται από την εφαρµογή του µοντέλου στην περιοχή µελέτης, η παροχή αιχµής επηρεάζεται άµεσα από τη µεταβολή των παραγόντων της φυτοκάλυψης και της κλίσης. Έτσι, η παροχή αιχµής είναι κατά 35% µεγαλύτερη στο δυσµενέστερο σενάριο σε σχέση προς το ηπιότερο. Η επιρροή των υδρολογικών παραγόντων είναι πιο έντονη στο µορφολογικό µέρος της παρούσης έρευνας, η στερεοπαροχή στο ηπιότερο σενάριο είναι 33 m 3, ενώ στο δυσµενέστερο ανέρχεται στα 85 m 3. Η αύξηση της αποθήκευσης νερού έχει ως συνέπεια, πέρα από τη διατάραξη της ισορροπίας του οικοσυστήµατος της Βιστωνίδας, λόγω απότοµης µεταβολής της αλατότητας, την κατάκλυση των Υδρολογία, Ποιότητα και ιαχείριση Επιφανειακών Νερών παραλίµνιων περιοχών που είναι κυρίως αγροτικές εκτάσεις. Στα άµεσα σχέδια του Εργαστηρίου Υδρολογίας και Υδραυλικών Έργων του.π.θ. είναι η προσοµοίωση των διαδικασιών αυτών µε νοητικά µοντέλα που στηρίζονται περισσότερο στην υδραυλική (αριθµητικές λύσεις διαφορικών εξισώσεων), καθώς και η οργάνωση δικτύου συλλογής σηµαντικών υδρολογικών µορφολογικών πληροφοριών σε κοµβικά σηµεία του οικοσυστήµατος της Βιστωνίδας. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Dooge, J.C.I., (1957). The rational method for estimating floods peak, Engineering 184, Dooge, J.C.I., (1959). A general theory of the unit hydrograph, J Geophys. Res., 64(2), Sherman, L.K., (1932). Streamflow from rainfall by the unit graph method, Eng. News Rec., 18, Prasad, R., (1967). A non linear hydrologic systems response model. J. Hydraul. Div, 4, Wiener, N., (1949). The extrapolation, interpolation and smoothing of stationary time series,wiley, N.Y. 6. Tikhonov, A.N., (1963), Regularization of incorrectly posed problems, Sov. Math, 4, Eagleson, P.S., Mejia, R. and March, F., (1965). The computation of the optimum realizable unit hydrographs from rainfall and runoff data, Hydrodyn. Lab. Rep., No84, MIT. 8. Todini, E. and Wallis, J.R., (1977), Using CLS for daily or longer period rainfall runoff modeling In. Mathematical Models for surface water hydrology, Wiley, N.Y. 9. Dawdy, D.R and and O Donnel T., (1965), Mathematical models of catchment behavior. J. Hydraul. Div.,4, Crawford, N.H. and Linsley, R.K., (1966), Digital simulation in hydrology, Stranford watershed model IV, Tech. Rep. No39, Dep. Civ. Eng. Stranford University. 11. Burnash, R.J.C, Ferral, R.L. and McGuire R.A., (1973), A general Streamflow simulation system conceptual modeling for digital computers, Report by the Joint Federal State River Forecasts Center Sacramento, Calif. 12. Rockwood, D.M and Nelson, M.J., (1966), Computed application to Streamflow synthesis and reservoir regulation. IV Int. Conf. Irrig. Drain. 13. Abbott, M.B, Bathrust, J.C., Cunge J.A, O Connell, P.E and Rasmussen, J., (1986), An Introduction to the European 14. HEC-1, (199) Flood propagation Package : User mannual, US Army Corps of Engineers Center, Davis, California, USA. 15. Apollov, B. A., Kalinin, G.P, and Kormarov, V.D., (1964), Hydrological forecasting (translated from Russian), Israel Program for Scientific Translation, Jerusalem. 16. Cunge, J.A., (1969), On the subject of a flood propagation computation method, J. hydraulic. Resour. Res, 7(2), Dooge, J.C.I., (1973), The linear theory of hydrologic systems, Tech. Bull. U.S. Dep. Agric., No 1468, U.S. Gov. Print. Off., Washington D.C.

7 Ολοκληρωµένη ιαχείριση Υδατικών Πόρων Dooge, et al, (1982), Hydrodynamic derivation of storage parameters of Muskingum model, J. Hydraul. 54, Price, R.K., (1973), Variable parameter duffusion method for flood routing. Rep. no INT 115, Hydraulic Research Station, Wallingfors, Uk. 2. Keefer, T.N. and McQuivey, R.S., (1974), Multiple linearization flow routing model. J. Hydraul. Div. 1(7), Becker, A. and Kundzerwicz, (1987), Nonlinear flood routing with multilinear models, Water Resour. Res. 23(6), Perumal, M., (1994) Hydrodynamic derivationof a variable parameter Muskingum method : 1 theory and solution procedure,2 verification,. J. Hydraul. Sciences, 39(5), Ponce, V.M and Yevjevich, V., (1978), Muskingum Cunge method with variable parameters, J. Hydraul. Div, 14(12),, Hrysanthou, V, (199), Application of a sediment routing model to a Middle European watershed, Wat. Resour. Bull. 26(5), Foster,G.R, (1982), Modeling the erosion process. In. Hydrologic Modeling of Small Watersheds,297-38, American Society of agricultural engineers, Monograph no Hairsine, P.B and Rose, C.W, (1992). Modelling water erosion due to overland flow using physical principles,2. Rill Flow, Wat. Res. Res. 28(1), Poessen, (1985) An improved splash transport model, Zeitschrift fur Geomorfologie, 29.2, Schmidt, (1992), Predicting the sediment yield from agricultural land using a new soil model, Proceedings 5 th international Symposium on River Sedimentation, Karlsuhe, p Yang and Stall,(1976), Applicability of unit stream power equation, Journal of the hydraulic Division,.12(5), Ribberink, (1987) On mathematical modeling of one-dimensional morphological changes in rivers with non-uniform sediment, PhD Thesis, DELFT University. 31. Di Silvio and Peviani, (1989). Modeling shorthand long-term evolution of mountain rivers, International workshop on fluvial hydraulics of mountain rivers. 32. Parker, (1991). Selective sorting and abrasion of river gravel, I: theory, Journal of hydraulic research, 117( 2), Parker, Selective sorting and abrasion of river gravel, II:applications, Journal of hydraulic research, 117(2), Bellos and Hrissanthou (1994), Simulation of the morphological changes of a stream bed, Rep. Advances in Water Resources Technology and Management, Rotterdam. 35. Ziogas and Bellos, (22), A complete Hydrologic Morphologic Model for Mountain Catchments, Proc. of 5th International Conference of Water Resources Management In The Era of Transition, Κ. Χ. Ζιώγας, Πολ. Μηχανικός, Υποψήφιος ιδάκτωρ, Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών, ηµοκρίτειο Πανεπιστήµιο Θράκης, Ξάνθη 671. Τηλ Κ. Β. Μπέλλος, Αναπλ. Καθηγητής, Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών, ηµοκρίτειο Πανεπιστήµιο Θράκης, Ξάνθη 671. Τηλ kbellos@civil.duth.gr.