ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ φυσικοχημικων παραμετρων των λιμνοθαλασσων μετα από διαδικασιες περιοδικης συντηρησης

Transcript

1 9 ο Πανελλήνιο Συμπόσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας Πρακτικά, Τόμος ΙΙ αναλυση της συμπεριφορας ΤΩΝ ΑΥΤΟΜΑΤΩΝ ΚΑΤΑΓΡΑΦΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ φυσικοχημικων παραμετρων των λιμνοθαλασσων μετα από διαδικασιες περιοδικης συντηρησης Δημητρίου Ν. 1, Παπαδογεώργος Σ. 2, Κατσέλης Γ. 3, Γιαννούλη Μ. 1, Γιαννούλης Π. 1, Κουτσικόπουλος Κ. 4 1 Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο Πατρών, Φοιτητής, nikostrof@hotmail.com, yianpan@physics.upatras.gr 2 s.papadogeorgos@gmail.com, 3 Τμήμα Υδατοκαλλιεργειών και Αλιευτικής Διαχείρισης, Τ.Ε.Ι. Μεσολογγίου, 4 Τμήμα Βιολογίας, Πανεπιστήμιο Πατρών, ckoutsi@upatras.gr Περίληψη Η παρούσα εργασία αφορά τη μεταβολή της ακρίβειας των καταγραφών ενός αυτόματου τηλεμετρικού συστήματος (Α.Τ.Σ.), εγκατεστημένου σε μία εξαιρετικά εύτροφη λιμνοθάλασσα, εξαιτίας επικαθίσεων. Το πλεονέκτημα του (Α.Τ.Σ.) είναι η δυνατότητα καταγραφής μεγάλου αριθμού μετρήσεων. Ωστόσο οι επικαθίσεις στους αισθητήρες επηρεάζουν την αξιοπιστία των μετρήσεων. Σε αυτή την περίπτωση, οι μετρήσεις, αν και βρίσκονται εντός των αποδεκτών ορίων, παρουσιάζουν αποκλίσεις από τις πραγματικές τιμές και οδηγούν σε λάθος περιγραφή των φυσικών διεργασιών του περιβάλλοντος. Τα αποτελέσματα της εργασίας αφορούν τη διερεύνηση της απόκλισης των μετρήσεων αλατότητας και διαλυμένου Ο 2, για το οποίο και αναπτύχθηκε μοντέλο περιγραφής της αλλοίωσης των μετρήσεων, από τις επικαθίσεις. Από την ανάλυση προκύπτει ότι τα (Α.Τ.Σ.) προϋποθέτουν τη συστηματική εργασία του ανθρώπου στο πεδίο, για τη διασφάλιση της αξιοπιστίας των μετρήσεων και αναδεικνύει τη ζωτική σημασία της προσθήκης των ενεργειών συντήρησης στις αυτόματες καταγραφές Λέξεις κλειδιά: τηλεμετρικό σύστημα, λιμνοθάλασσα, περιβαλλοντικές συνθήκες. BEHAVIORAL ANALYSIS OF AUTOMATIC MONITORING SYSTEMS OF PHYSICAL AND CHEMICAL PARAMETERS OF LAGOONS FOLLOWING REGULAR MAINTENANCE Dimitriou N. 1, Papadogeorgos S. 2, Katselis G. 3, Giannouli M 1, Yianoulis P. 1, Koutsikopoulos C. 4 1 Physics Department., University of Patras,, nikostrof@hotmail.com, yianpan@physics.upatras.gr 2 s.papadogeorgos@gmail.com 3 Dep. Aquaculture and fishery management, Technological Educational institute of Messolonghi gkatsel@teimes.gr 4 Biology Department., University of Patras, ckoutsi@upatras.gr Abstract The present work concerns the alteration of the precision of the recordings of an automatic telemetric system (A.T.S.), installed in an exceptionally eutrophic lagoon, due to accretions. The advantage of (A.T.S.) is the ability of recording large numbers of measurements. However the accretions on the sensors influence the reliability of the measurements. In this case, the measurements even if they are inside the acceptable limits, have divergences from the real values and they lead to false description of the natural processes. The results of the present work concern the investigation of the divergence of salinity and dissolved O 2 measurements, for which a deviation model has been developed. Τhe analysis shows that systematic fieldwork and maintenance is required in order to guarantee the reliability of (A.T.S.) measurements. Keywords: telemetrical system, lagoon, environmental conditions. 1. Εισαγωγή Η λιμνοθάλασσα της ανατολικής Κλείσοβας ανήκει στο σύμπλεγμα λιμνοθαλασσών Μεσολογγίου Αιτωλικού. Διαμορφώθηκε στις αρχές της δεκαετίας του 70, όταν αποκόπηκε από τη λιμνο

2 9 th Symposium on Oceanography & Fisheries, Proceedings, Volume ΙΙ θάλασσα της Κλείσοβας με την οποία ως τότε ήταν ενιαία. Η έκτασή της είναι περίπου 5.000στρ. και αποτελείται από ένα βόρειο τμήμα μέγιστου βάθους 0,8μέτρων και ένα δίαυλο επικοινωνίας με τον Πατραϊκό κόλπο, μήκους 3.000μ και πλάτους 150μ. Στο βόρειο τμήμα της είναι αποδέκτης των απορροών του βιολογικού καθαρισμού της πόλης και ενός χειμάρρου, ενώ στο σύστημα εκβάλουν δύο αποστραγγιστικά αντλιοστάσια Β4 και Β2 (Ανώνυμος 2001) (Εικ. 1). Από στοιχεία που συλλέξαμε για την περίοδο 15/6/08 έως 15/9/08, τα δύο αντλιοστάσια λειτουργούσαν για μία ώρα κάθε μέρα και παρείχαν στη λιμνοθάλασσα 12600m 3 γλυκό νερό το πρώτο(β4) και 3600 m 3 το δεύτερο(β2), που μπορεί να εκτιμηθεί ότι αντιστοιχεί περίπου στο 0.4% του συνολικού όγκου νερού της λιμνοθάλασσας. Εικ. 1: Δορυφορική απεικόνιση της λιμνοθάλασσας αν. Κλείσοβας και των σταθμών μέτρησης. Ως ρηχό, κλειστό οικοσύστημα, αποδέκτης των παραπάνω εκροών, είναι εξαιρετικά εύτροφο και εμφανίζει συχνά κρίσεις δυστροφισμού και μαζικούς θανάτους ψαριών, που αποδίδονται κυρίως στον έντονο ρυθμό βιοαποικοδόμισης της οργανικής ύλης σε συνδυασμό με συγκεκριμένες υδρολογικές και κλιματολογικές συγκυρίες (νηνεμία, υψηλές θερμοκρασίες, ανανέωση νερού) (Thiel et al. 1995; Ανώνυμος 2001). Στην προσπάθεια κατανόησης του οικοσυστήματος με σκοπό το σχεδιασμό παρεμβάσεων αποκατάστασής του, τοποθετήθηκε τηλεμετρικό σύστημα αυτόματης καταγραφής (Α.Τ.Σ.) και μετάδοσης το καλοκαίρι του Το σύστημα αυτό είναι σε λειτουργία από τις 26/6/2007. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται στοιχεία για τη μεταβολή της ποιότητας των καταγραφών του συστήματος αυτού. Τέτοιου είδους συστήματα, που πλέον χρησιμοποιούνται ευρέως, (Albanakis, 1996; Kosmatopoulos, 1988), ενώ δίνουν πολύ μεγάλο αριθμό μετρήσεων, μπορεί να οδηγήσουν σε λάθος περιγραφή των φυσικών διεργασιών του οικοσυστήματος όταν υποβαθμίζεται η ακρίβεια των αισθητήρων τους. Το πρόβλημα είναι οξύ όταν οι αποκλίνουσες τιμές κυμαίνονται στο πιθανό εύρος τιμών της παραμέτρου στα συγκεκριμένα οικοσυστήματα και ιδιαίτερα χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη μοντέλων λειτουργίας του οικοσυστήματος (Ανώνυμος, 2004). 2. Υλικά και Μέθοδοι Το δίκτυο αποτελείται από δύο σταθμούς καταγραφής και μία κεντρική μονάδα αποθήκευσης δεδομένων. Συνοδεύεται από το λογισμικό mdm, που δημιουργήθηκε για να εξυπηρετεί τις ανάγκες του δικτύου, ενώ τα δεδομένα φορτώνονται διαδικτυακά σε server. Ο πρώτος σταθμός (σταθμός 1) εγκαταστάθηκε στις 26/6/2007 στο εσωτερικό της λιμνοθάλασσας και καταγράφει διαλυμένο οξυγόνο (DO 2 ), ph, θερμοκρασία νερού (wtemp), αγωγιμότητα αλατότητα, στάθμη νερού, θερμοκρα

3 9 ο Πανελλήνιο Συμπόσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας Πρακτικά, Τόμος ΙΙ σία αέρα, φωτεινότητα και την τάση της μπαταρίας του συστήματος. Ο δεύτερος σταθμός (σταθμός 2) εγκαταστάθηκε στις 20/9/2007 στο στόμιο της λιμνοθάλασσας και καταγράφει όλα τα παραπάνω (εκτός από τη φωτεινότητα που προστέθηκε αργότερα) και επιπλέον, από την 28/11/2007, την ταχύτητα και τη διεύθυνση ανέμου, τη βαρομετρική πίεση, τη σχετική υγρασία και τη φωτεινότητα. Και οι δύο σταθμοί είχαν ρυθμιστεί να λαμβάνουν μετρήσεις για όλες τις παραμέτρους κάθε μισή ώρα και να στέλνουν τα δεδομένα τους στον κεντρικό server όποτε δινόταν η σχετική εντολή. Από την αρχή της εγκατάστασης του (Α.Τ.Σ.) παρατηρήθηκε έντονη επικάθιση φυκιών και ζωικών οργανισμών πάνω στους αισθητήρες. Κατά το πρώτο έτος της λειτουργίας του (Α.Τ.Σ.),, όποτε διαπιστωνόταν ότι το σύστημα ετίθετο εκτός λειτουργίας, ή ότι κάποιες μετρήσεις ήταν σε ακραία επίπεδα, γινόταν καθαρισμός και βαθμονόμηση των αισθητήρων. Από αυτή τη διαδικασία φάνηκε ότι ειδικά οι αισθητήρες του διαλυμένου O 2 και της αλατότητας σε περιόδους που δεν ήταν εκτός λειτουργίας παρουσίαζαν βαθμιαία μείωση της ακρίβειάς τους. Γι αυτό το λόγο από τον Ιούνιο του 2008 ακολουθήθηκε μια διαδικασία συστηματικού καθαρισμού και βαθμονόμησης των οργάνων, ανεξάρτητη από τις εργασίες που διενεργούνταν όταν το σύστημα ετίθετο εκτός λειτουργίας από μηχανικές βλάβες. 3. Αποτελέσματα Με βάση την ανά μισή ώρα λήψη μέτρησης για το χρονικό διάστημα λειτουργίας (26/6/ /10/2008 για το σταθμό 1 και 28/9/ /10/2008 για το σταθμό 2) αναμενόταν να έχουμε και καταγραφές για κάθε παράμετρο για το σταθμό 1 για το σταθμό 2, αντίστοιχα. Στον Πίνακα 1 εμφανίζονται, ανά σταθμό και παράμετρο, ο αριθμός των καταγραφών που πραγματοποιήθηκαν και το ποσοστό των τελικά αποδεκτών μετρήσεων. Απορρίφθηκαν τιμές που βρίσκονταν σε περιοχές έξω από τα αναμενόμενα, για το συγκεκριμένο οικοσύστημα όρια. Η στατιστική σύγκριση των ποσοστών αποδεκτών μετρήσεων (μέθοδος χ 2 ), έδειξε ότι υπάρχει διαφοροποίηση μεταξύ των δύο σταθμών (χ 2 >1000 p<0,05). Η επίδραση των καθαρισμών εξετάζεται στην παρούσα εργασία όσον αφορά στο διαλυμένο οξυγόνο και στην αλατότητα στο σταθμό 2, ο οποίος είναι κοντά στη θάλασσα με αποτέλεσμα οι φυσικές διεργασίες, που προκαλούν τις επικαθίσεις στους αισθητήρες και αλλοιώνουν την ποιότητα των μετρήσεων, να είναι λιγότερο έντονες από τον έτερο σταθμό. Πίνακας 1: Συγκεντρωτική παρουσίαση πλήθους μετρήσεων ανά παράμετρο. ΣΤΑΘΜΟΣ 1 καταγραφές Ποσοστό % αποδεκτών μετρήσεων ΣΤΑΘΜΟΣ 2 καταγραφές Ποσοστό % αποδεκτών μετρήσεων κριτήριο αποδοχής μέτρησης DO , DO 2 <15ppm Θερμ. νερού , ,37 4<wtemp<32 o C Αλατότητα , ,27 1<sal<45 psu ph , ,22 ph<14 στάθμη , ,74 level<200 cm Το διαλυμένο οξυγόνο παρουσιάζει έντονα περιοδική συμπεριφορά (ημέρα-νύχτα) λόγω της φωτοσυνθετικής δραστηριότητας. Από καθαρισμό σε καθαρισμό επαναλαμβάνεται ένα πρότυπο κατά το οποίο τόσο η μέση τιμή, όσο και το πλάτος της ημερήσιας διακύμανσης μειώνονται εκθετικά. Αμέσως ύστερα από κάθε καθαρισμό παρουσιάζεται άνοδος της μέσης τιμής και του πλάτους διακύμανσης. Με βάση αυτή την παρατήρηση, αναπτύξαμε ένα εμπειρικό μοντέλο που περιγράφει αυτές τις αλλαγές. Το μοντέλο είναι της μορφής

4 9 th Symposium on Oceanography & Fisheries, Proceedings, Volume ΙΙ D O = a e 2 bt + c e dt 2π cos T ( t φ) όπου a είναι η μέση τιμή του DO 2 το πρώτο εικοσιτετράωρο μετά τον καθαρισμό, b ο συντελεστής εκθετικής μείωσης της μέσης τιμής με το χρόνο, c το ήμισυ του εύρους της διακύμανσης το πρώτο εικοσιτετράωρο μετά τον καθαρισμό, d ο συντελεστής εκθετικής μείωσης του εύρους με το χρόνο, φ η φάση (η χρονική στιγμή της μέρας που παρατηρείται η μέγιστη τιμή), Τ η περίοδος των διακυμάνσεων των τιμών (στην περίπτωσή μας 1 ημέρα) και t ο χρόνος (σε ημέρες με σημείο 0 τη στιγμή του καθαρισμού). Στην Εικόνα 2 φαίνονται οι καταγραφές του DO 2 κατά την περίοδο μελέτης, με σημειωμένους τους καθαρισμούς των αισθητήρων. Στην Εικόνα 3 παρουσιάζονται οι καταγραφές των τιμών του DO 2 μετά τον καθαρισμό της 5/8/08 και το μοντέλου που αναπτύξαμε. Στον Πίνακα 2 εμφανίζονται οι παράμετροι του μοντέλου ύστερα από κάθε καθαρισμό. Εικ. 2: Σταθμός 2 - Οι καταγραφές του DO 2 κατά την περίοδο μελέτης, με σημειωμένους τους καθαρισμούς των αισθητήρων. Εικ. 3: Σταθμός 2 - DO 2 μετά τον καθαρισμό 2 5/8/08-20/8/08 Πίνακας 2: Οι παράμετροι του μοντέλου μεταβολής των τιμών του DO 2 ύστερα από κάθε καθαρισμό (Ν: αριθμός μετρήσεων και R 2 : συντελεστής συσχέτισης). a b c d φ (ημέρες) Τ (ημέρες) Ν R 2 Καθαρισμός 1 5,35 0,07 4,5 0,09 0, ,58 Καθαρισμός 2 5,35 0,09 4,5 0,09 0, ,63 Καθαρισμός 3 5 0,09 4,5 0,09 0, ,46 Καθαρισμός ,69 Καθαρισμός ,73 Από τα παραπάνω προκύπτει ότι 7 ημέρες μετά τον καθαρισμό, η μέση ημερήσια τιμή του DO 2 έχει περιοριστεί στο 47-58% της αρχικής τιμής ανάλογα με την περίοδο καταγραφής. Όσον αφορά στην αλατότητα και το ph, σε αντιδιαστολή με την περίπτωση του DO 2, από καθαρισμό σε καθαρισμό δε φαίνεται να επαναλαμβάνεται ένα συγκεκριμένο πρότυπο, παρά το ότι η επίδραση στη λειτουργία του οργάνου είναι αισθητή. Οι καταγραφές της θερμοκρασίας νερού αλλά και της στάθμης δεν παρουσίασαν μεταβολές μετά τη διενέργεια των καθαρισμών. 3. Συζήτηση Τα τηλεμετρικά συστήματα καταγραφής φυσικών και χημικών παραμέτρων αποτελούν ελπιδοφόρα λύση για τη μελέτη και παρακολούθηση ιδιαίτερα ευμετάβλητων συστημάτων, όπως οι λιμνοθάλασσες. Πράγματι, το εύρος και η συχνότητα των διακυμάνσεων των φυσικοχημικών πα

5 9 ο Πανελλήνιο Συμπόσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας Πρακτικά, Τόμος ΙΙ ραμέτρων είναι ιδιαίτερα υψηλά σε αυτά τα περιορισμένης αδράνειας και πολλαπλών εξωτερικών επιδράσεων οικοσυστήματα (μεταβατικά οικοσυστήματα, διεπιφάνειες). Η μελέτη μας έδειξε ότι το ίδιο, από λειτουργικής πλευράς, σύστημα, τοποθετημένο σε δύο διαφορετικά τμήματα της λιμνοθάλασσας, συμπεριφέρεται διαφορετικά λόγω της επίδρασης των τοπικών χαρακτηριστικών των δύο σημείων του οικοσυστήματος (Πίν. 1). Οι διάφορες παράμετροι, που καταγράφονται, επηρεάζονται με διαφορετικό τρόπο από τις συνθήκες του περιβάλλοντος. Έτσι, οι αισθητήρες μέτρησης DO 2 και αλατότητας, λόγω των τεχνικών χαρακτηριστικών τους, επηρεάζονται πιο έντονα σε σχέση με αισθητήρες άλλων παραμέτρων. Το DO 2 παρουσιάζει έντονα περιοδική συμπεριφορά (ημέρανύχτα) λόγω της φωτοσυνθετικής δραστηριότητας. Ο αισθητήρας του οξυγόνου χρησιμοποιεί μία επιλεκτική μεμβράνη, από την οποία περνούν μόνο τα ιόντα Ο 2. Έτσι το όργανο είναι ευαίσθητο σε επικαθίσεις και στη επίδραση οργανισμών που αναπτύσσονται επάνω του, αφού μειώνονται οι ελεύθεροι πόροι και εν τέλει το όργανο «αντιλαμβάνεται» διαφορετική συγκέντρωση ιόντων. Αυτό το χαρακτηριστικό του αισθητήρα εξηγεί και την εκθετική μείωση τόσο της μέσης τιμής όσο και του εύρους των ημερησίων διακυμάνσεων που περιγράψαμε. Η αλατότητα είναι παράμετρος που εξαρτάται έντονα από το ισοζύγιο γλυκών και θαλασσινών νερών, που αναμειγνύονται στην περιοχή. Το όργανο μέτρησης της αλατότητας, μετρά την αγωγιμότητα του νερού. Η μορφολογία του οργάνου δεν επιτρέπει στις επικαθίσεις να δρουν πάντα με τον ίδιο τρόπο, οπότε αναμένεται και διαφορετικό πρότυπο αλλοίωσης των μετρήσεων με το χρόνο μετά από τους καθαρισμούς. Αντίστοιχη περίπτωση είναι αυτή του ph-μετρου, στο οποίο η μεταβολή του προτύπου ύστερα από κάθε καθαρισμό ήταν διαφορετική και κάποιες φορές ανεπαίσθητη, αφού επηρεάζεται λιγότερο η λειτουργία αυτού του αισθητήρα από επικαθήσεις στο γυάλινο ή συνθετικό ακροδέκτη του οργάνου, ο οποίος είναι σχετικά προστατευμένος. Έτσι οι επικαθίσεις γίνονται πιο δύσκολα και όποτε προκύπτουν δεν έχουμε συγκεκριμένο πρότυπο. Στο αντίστοιχο διάστημα παρατηρήθηκε ότι οι αισθητήρες της θερμοκρασίας δεν επηρεάζονταν από τις επικαθίσεις, αφού το μοτίβο της διακύμανσης του μεγέθους δεν άλλαζε πριν και μετά τους καθαρισμούς. Γεγονός αναμενόμενο, αφού ό,τι εμποδίζει την επαφή του αισθητήρα με το νερό βρίσκεται σε θερμοκρασία νερού. Τέλος, σχετικά με τον αισθητήρα της στάθμης, δεν εμφανίζεται αντίστοιχο πρόβλημα, αφού λειτουργεί με υπέρηχους και είναι εκτός νερού. Τα βασικά συμπεράσματα της εργασίας είναι ότι τα αυτόματα καταγραφικά συστήματα τηλεμετρίας προϋποθέτουν την ανάγκη συστηματικής εργασίας συντήρησης στο πεδίο. Ουσιαστικά το πλεονέκτημά τους δεν είναι η εξάλειψη του εργατικού κόστους, αλλά η θεαματική αύξηση της ποσότητας και ποιότητας πληροφορίας για το ίδιο κόστος. Η συχνότητα συντήρησης εξαρτάται από την περιοχή, την εποχή και τον τύπο του αισθητήρα. Για τον ορισμό πρωτοκόλλου συντήρησης είναι απαραίτητη η πιλοτική μελέτη στις συγκεκριμένες συνθήκες. Η εκ των προτέρων επιλογή της συχνότητας επίσκεψης καθαρισμού και βαθμονόμησης είναι μάλλον επίφοβη. Μια συστηματική ανάλυση της συμπεριφοράς μετά από τον καθαρισμό θα επιτρέψει την ανάπτυξη μοντέλων, που θα οδηγήσουν στο φιλτράρισμα των καταγραφών, βελτιώνοντας έτσι την ποιότητά τους. Στα τηλεμετρικά συστήματα έχει ζωτική σημασία η προσθήκη των ενεργειών συντήρησης σε μια διάταξη αυτόματης καταγραφής και ενσωμάτωσης στο τελικό αρχείο, ώστε να βελτιώσουν την αξιοπιστία και την ασφαλή αξιοποίηση των δεδομένων τους. 4. Βιβλιογραφικές Αναφορές Albanakis, K., Laopoulos, Th. & Kosmatopoulos, K., Sea level remote monitoring network of Santorini Volcanic islands. 2nd Workshop of European Laboratory Volcanoes. Ανώνυμος, Μελέτη οργάνωσης και λειτουργίας αλιευτικής εκμετάλλευσης λιμνοθαλασσών. ΙΧΘΥΚΑ Α.Ε., Υπουργείο Αγροτικής Ανάπτυξης & Τροφίμων. Ανώνυμος, Συνεχής Τηλεμετρική Παρακολούθηση της Ποιότητας των Υδάτων του Ευρώτα Ποταμού και Αυτόματο Σύστημα Άμεσης Ειδοποίησης Εφαρμοσμένο Ερευνητικό Πρόγραμμα ΤΕΔΚ Λακωνίας. Εθνικό Καποδιστριακό

6 9 th Symposium on Oceanography & Fisheries, Proceedings, Volume ΙΙ Πανεπιστήμιο Kosmatopoulos, K., Papageorgioy, Ch., Tsagourias, N. & Laopoulos, Th., Development of a Remote Environmental System (R.E.MO.S.). International Symp. on Developments in Digital Instrumentation (DDI 98), September 1998, Naples, Italy. Thiel R., Potter I.C The ichthyofaunal composition of the Elbe estuary: an analysis in space and time. Marine Biology 138,