Copyright - Υδρομέντωρ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΠΑΙΔΕΙΑΣ, ΔΙΑ ΒΙΟΥ ΜΑΘΗΣΗΣ ΚΑΙ ΘΡΗΣΚΕΥΜΑΤΩΝ ΕΙΔΙΚΗ ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΤΩΝ ΔΡΑΣΕΩΝ ΘΡΗΣΚΕΥΜΑΤΩΝ ΤΟΥ ΥΠΟΥΡΓΕΙΟΥ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΔΙΑ ΒΙΟΥ ΜΑΘΗΣΗΣ ΚΑΙ ΣΤΟΥΣ ΤΟΜΕΙΣ ΤΗΣ ΈΡΕΥΝΑΣ ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΚΑΙΝΟΤΟΜΊΑΣ Ε.Υ.Δ.Ε. Ε.Τ.Α.Κ.) ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΙΑΚΑ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΑ «ΑΝΤΑΓΩΝΙΣΤΙΚΟΤΗΤΑ & ΕΠΙΧΕΙΡΗΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ» ΚΑΙ ΠΕΡΙΦΕΡΕΙΩΝ ΣΕ ΜΕΤΑΒΑΣΗ ΕΘΝΙΚΟ ΣΤΡΑΤΗΓΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΑΝΑΦΟΡΑΣ ΕΣΠΑ ΔΡΑΣΗ ΕΘΝΙΚΗΣ ΕΜΒΕΛΕΙΑΣ «ΣΥΝΕΡΓΑΣΙΑ» ΠΡΑΞΗ Ι:«Συνεργατικά έργα μικρής και μεσαίας κλίμακας» Ι.Ε.ΤΕ.Θ. Ινστιτούτο Έρευνας και Τεχνολογίας Θεσσαλίας «ΥΔΡΟΜΕΝΤΩΡ: ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΠΟΣΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ ΑΓΡΟΤΙΚΩΝ ΛΕΚΑΝΩΝ ΑΠΟΡΡΟΗΣ ΥΠΟ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΚΛΙΜΑΤΙΚΗΣ ΑΛΛΑΓΗΣ. ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΤΗ ΛΕΚΑΝΗ ΑΠΟΡΡΟΗΣ ΤΗΣ ΛΙΜΝΗΣ ΚΑΡΛΑΣ.» ΦΟΡΕΑΣ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΟΙΚΟΝΑΠΤΥΞΗΣ ΚΑΡΛΑΣ, ΜΑΥΡΟΒΟΥΝΙΟΥ, ΚΕΦΑΛΟΒΡΥΣΟΥ, ΒΕΛΕΣΤΙΝΟΥ. ELPHO A.E. SCIENTACT Α.Ε. ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ 2.1 : Λογισμικό ολοκληρωμένου συστήματος προσομοίωσης και συγγραφή εγχειριδίων χρήσης (manual) των μοντέλων και του ολοκληρωμένου συστήματος προσομοίωσης ΕΥΡΩΠΑΪΚΗ ΕΝΩΣΗ ΕΥΡΩΠΑΪΚΟ ΤΑΜΕΙΟ ΠΕΡΙΦΕΡΕΙΑΚΗΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ

2 ΥΔΡΟΜΕΝΤΩΡ ii

3 Πίνακας Περιεχομένων Κεφάλαιο 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Εισαγωγή στο Φυσικό Αντικείμενο και Διάρθρωση του Συστήματος Γενικές Αρχές της Μεθοδολογίας του Συστήματος Αρχιτεκτονική του πλαισίου προσομοίωσης Βάση Δεδομένων ενοποίησης μοντέλων Κεφάλαιο 2 Περιγραφή του Πλαισίου Προσομοίωσης Βασική δομή του μενού Κεφάλαιο 3 Οδηγός χρήσης του λογισμικού UTHMODELLER Γενική Περιγραφή του UTHMODELLER Σύστημα αποθήκευσης δεδομένων Βαθμονόμηση, Βελτιστοποίηση και Επαλήθευση Δεδομένων Οπτικοποίηση των δεδομένων εισόδου και εξόδου Μετανάστευση μοντέλων στο standard του OpenMI μέσω του UTHMODELLER Κεφάλαιο 4 Οδηγός Χρήσης του Μοντέλου UTHBAL Εισαγωγή Δημιουργία περίπτωσης μελέτης του μοντέλου UthBal Εισαγωγή δεδομένων στο UthBal Αδρομερής περίπτωση (Lumped Case) Ημι-Κατανεμημένη περίπτωση (Semi-Distributed Case) Πλήρως Κατανεμημένη Περίπτωση (Fully Distributed Case) Άνοιγμα Στιγμιότυπου Μοντέλου και Αποθήκευση Data Export Δυνατότητες Γραφικών Επιπρόσθετες Δυνατότητες Βαθμονόμηση ADF2TXT Κεφάλαιο 5 Η χρήση του μοντέλου UthRL Δημιουργία στιγμιοτύπων του μοντέλου UthRL Εισαγωγή Δεδομένων στο UthRL iii

4 5.3 Άνοιγμα Στιγμιοτύπων Μοντέλων και Αποθήκευση Data Export Κεφάλαιο 6 Οδηγός Χρήσης του Μοντέλου GMS Εισαγωγή Ο Κώδικας Modflow Ο καθορισμός των οριακών συνθηκών Πακέτα υποστήριξης του MODFLOW Lake Package (LAK3) Βασικό πακέτο (Basic Package, BAS) Block-Centered Flow Package (BCF) Υδατορεύματα (Rivers, RIV) Γεωτρήσεις (Well Package) Εμπλουτισμός (Recharge Package, RCH) Ντραίνα (Drains) Evapotranspiration (ΕΤ) General Head Boundary (G.H.B.) Specified head Ισχυρά πεπλεγμένη μέθοδος (Strongly Implicit Procedure Package, SIP) Έλεγχος Αποτελεσμάτων (Output Control) Σχεδιασμός του καννάβου Τρόποι προσέγγισης του MΟDFLOW Προσέγγιση Καννάβου Προσέγγιση εννοιολογικού μοντέλου Κεφάλαιο 7 LAK Εισαγωγή Διαβάζοντας το μοντέλο MODFLOW Αποθήκευση ενός αντιγράφου του προβλήματος Ενεργοποίηση του πακέτου Lake Δημιουργία του Lake Coverage Εισαγωγή στο Lake Polygon Ρύθμιση του Lake TIN Κεφάλαιο 8 MT3D Εισαγωγή Μέθοδος Κανάβου (Grid Approach) iv

5 8.3 Μέθοδος Εννοιολογικού Μοντέλου Κεφάλαιο 9 PCLAKE Εγκατάσταση, ρύθμιση και τρέξιμο του μοντέλου Αλλαγές στο μοντέλο και μεταγλώττιση Εισαγωγή, αντικείμενο μελέτης Ευτροφισμός σε ρηχές λίμνες Προσέγγιση μέσω του μοντέλου Σύντομη περιγραφή του PCLake Κρίσιμο φορτίο σε ρηχές λίμνες Κεφάλαιο 10 Μετατροπές Δεδομένων Εισαγωγή Data management Επεξεργασία μορφοποίησης Οπτικοποίηση Χρήση Νηματοποίησης Αρχιτεκτονική άποψη του συστήματος Επεξεργασία δορυφορικών δεδομένων Εξαγωγή δεδομένων σε XML Εξαγωγή δεδομένων σε Excel v

6 vi

7 Κεφάλαιο 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Εισαγωγή στο Φυσικό Αντικείμενο και Διάρθρωση του Συστήματος Το πληροφοριακό σύστημα Υδρομέντωρ είναι ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο μοντελοποίησης και προσομοίωσης υδρολογικών διαδικασιών καθώς και περιβαλλοντικών διαδικασιών, που αποσκοπεί στην ποιοτική και ποσοτική διαχείριση των υδατικών πόρων. Ο στόχος ενός τέτοιου συστήματος παρατήρησης, προσομοίωσης και διαχείρισης υδατικών πόρων είναι να διευκολύνει τη συλλογή, οργάνωση, αποθήκευση, ανάλυση και δημοσίευση των περιβαλλοντικών δεδομένων παρατηρήσεων που συλλέγονται στο πλαίσιο ενός περιβαλλοντικού παρατηρητηρίου, αλλά και να διαχειριστεί αυτή την πληροφορία με την διαδικασία προσομοιώσεων έτσι ώστε να προβλέψει διάφορα υδρολογικά φαινόμενα. Όταν σε ένα τέτοιο σύστημα προσάψουμε και λειτουργίες περιβαλλοντικού χαρακτήρα όπως και προβλέψεις κοινωνικο-οικονομικών παραγόντων που αφορούν την περιοχή μελέτης, μπορούμε να δημιουργήσουμε ένα ολοκληρωμένο σύστημα μελέτης μιας περιοχής που αφορά τις κλιματικές αλλαγές, τις επιπτώσεις επιφανειακής και υπόγειας υδρολογίας καθώς και τις επιπτώσεις που σχετίζονται με το περιβάλλον και τον τρόπο που αυτό επηρεάζει έναν υδροβιότοπο. Η δημιουργία ενός τέτοιου ολοκληρωμένου συστήματος δεν γίνεται με ολιστικό τρόπο δεδομένης της πολυπλοκότητας των λειτουργιών του. Ο πλέον ενδεικτικός τρόπος ως τώρα είναι η συνένωση διάφορων εξιδεικευμένων μοντέλων το καθένα από τα οποία μελετά αυτόνομα καθεμία από τις παραπάνω διαδικασίες. Η ολοκλήρωση ενός τέτοιου συστήματος πρέπει να παρέχει τις απαραίτητες λειτουργίες: της επικοινωνίας των μοντέλων και της σύζευξής τους για να μπορούν να ανταλλάσσουν δεδομένα, 1

8 της οργάνωσης και αποθήκευσης, ώστε τα δεδομένα να μετατρέπονται σε μια μορφή που να μπορεί να χρησιμοποιείται από όλα τα μέρη του συστήματος, της δημιουργίας μετα-δεδομένων, για τη μεταχρονολογημένη ανάλυσή τους με τη μορφή προσομοιώσεων σεναρίων, της οπτικοποίησης, με στόχο την καλύτερη κατανόηση των υδρολογικών διεργασιών και της δημοσίευσης, η οποία είναι η διαδικασία όπου όλα τα στοιχεία εισαγωγής, αποτελεσμάτων και ανάλυσης είναι καθολικά διαθέσιμα και παρουσιάζονται σε διαλειτουργικές μορφές. Κύριο μέλημά μας ήταν η ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου πλαισίου (integrated framework) για την αξιολόγηση ενός υδρολογικού και περιβαλλοντικού οικοσυστήματος μιας λεκάνης απορροής, λίμνης, ή υδροβιότοπου. Το προτεινόμενο σύστημα περιλαμβάνει χωριστά υποσυστήματα/ενότητες (modules) τα οποία προσομοιώνουν τους υδρολογικούς και τους περιβαλλοντικούς παράγοντες που επηρεάζουν τη δυναμική των λεκανών απορροής και λειτουργεί ως «πυρήνας» που συνενώνει όλα τα επιμέρους υποσυστήματα μαζί, επιτρέποντας την προσομοίωση των αλληλεπιδράσεων των παραμέτρων. Με αυτό τον τρόπο, επιχειρείται τελικά, με έναν ενοποιημένο τρόπο, η πρόβλεψη της αντίδρασης του περιβάλλοντος στις διάφορες αλλαγές, καθιστώντας πιθανή την ανάπτυξη ενός επιτυχούς σχεδίου διαχείρισης των υδατικών πόρων, που θα λάβει υπόψη όλα τα υποσυστήματα τα οποία επηρεάζονται. Το σύστημα διαμόρφωσης θα αναπτυχθεί ως γενικό εργαλείο για υδροβιότοπους αλλά θα εφαρμοστεί και θα αξιολογηθεί στη λεκάνη απορροής της λίμνης Κάρλας. Η πρόσβαση σε υδρολογικά και κλιματικά δεδομένα για χρήση στον τομέα της έρευνας ή της διαχείρισης υδατικών πόρων, είναι μια δύσκολη διαδικασία που καταναλώνει πολύτιμο χρόνο και ανθρώπινο δυναμικό. Μέχρι πρόσφατα, η διαδικασία αυτή απαιτούσε την αναζήτηση σε πολλές διαφορετικές αποθήκες δεδομένων, η καθεμία από τις οποίες ενδεχομένως να ήταν σε διαφορετικό δικτυακό τόπο ή η γλώσσα διεπαφής να ήταν τέτοια ώστε να απαιτούσε την εκμάθησης μιας νέας scripting γλώσσας. Το 2

9 χειρότερο από όλα είναι να υπάρχει ανάγκη ενσωμάτωσης κλιματολογικών και υδρολογικών στοιχείων αλλά τα στοιχεία αυτά να μην υπάρχουν σε ηλεκτρονική μορφή. Νέες εξελίξεις στον προγραμματισμό δικτυακών τόπων, καθώς και στην τεχνολογία διαμεσολάβησης δεδομένων και μετατροπής τους σε μεταδεδομένα, έχουν παράσχει τα εργαλεία για την πρόσβαση σε δεδομένα, νέα εργαλεία για την υλοποίηση λογισμικού monitoring σε υδρολογικές διαδικασίες και τέλος εργαλεία για την υλοποίηση πλαισίων που ενοποιούν διάφορα και ενδεχομένως ετερογενή υδρολογικά μοντέλα, με σκοπό τη σύζευξή τους σε ένα ολιστικό περιβάλλον διαχείρισης. Καθώς οι επιστήμονες αρχίζουν να διερευνούν πολύπλοκες υδρολογικές διεργασίες με επεκτάσεις χωρικής και χρονικής κλίμακας, η ενσωμάτωση δεδομένων από πολλαπλές πηγές, λογισμικά και ερευνητικές προσπάθειες γίνεται απολύτως αναγκαία και κρίσιμη ώστε να δημιουργηθούν πιο ολοκληρωμένα λογισμικά μοντελοποίησης. Τα τελευταία χρόνια έχει παρατηρηθεί μία σημαντική βελτίωση στη διαθεσιμότητα των υδρολογικών και περιβαλλοντικών δεδομένων. Ωστόσο, τα περισσότερα δεδομένα που δημοσιεύονται στο διαδίκτυο δεν είναι χωρικά γεωδαιτημένα με τη χρήση γεωγραφικών συστημάτων πληροφοριών και είναι συνήθως έγκλειστα μέσα σε αρχεία ή βάσεις δεδομένων, το περιεχόμενο των οποίων δεν μπορεί εύκολα να ανακαλυφθεί ή να καταγραφεί από τεχνολογίες ανίχνευσης στο διαδίκτυο, μέσω μηχανών αναζήτησης. Μια άλλη πρόκληση είναι η ετερογένεια των δεδομένων από διαφορετικές πηγές και μοντέλα, που κάνουν τα δεδομένα μη ανακαλύψιμα, μη εντάξιμα και δύσκολα στη διαχείρισή τους. Αυτή η ετερογένεια ή οι διαφορές στον τρόπο που τα δεδομένα κωδικοποιούνται ή οργανώνονται, καθιστά δύσκολο για τους χρήστες των μοντέλων να τα οργανώσουν, να τα βαθμονομήσουν και να χρησιμοποιήσουν κατάλληλο λογισμικό που θα τα αναλύσει, έτσι ώστε να αποδειχθούν χρήσιμα. Πρόσφατα, χάρη σε μία νέα πρωτοβουλία που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο της επιστήμης της υδρολογίας και της επιστήμης των μηχανικών περιβάλλοντος, δίνεται η δυνατότητα δημιουργίας τόσο των μεγάλης κλίμακας περιβαλλοντικών παρατηρητηρίων όσο και δημιουργίας frameworks στα οποία μπορούν να συνδέονται και να ανταλλάσσουν δεδομένα διάφορα συναφή μοντέλα υδρολογικών προσομοιώσεων. Με τη δυνατότητα αυτή, οι επιστήμονες θα μπορούν να έχουν πρόσβαση σε τέτοιου είδους εργαλεία και θα 3

10 μπορούν να βελτιστοποιήσουν τα μεμονωμένα μοντέλα τους, καθώς και να προάγουν την ολοκληρωμένη προσομοίωση, ως κύριο εργαλείο προσομοίωσης, διαχείρισης και πρόγνωσης. Η εξεύρεση λύσεων για τα προβλήματα διαλειτουργικότητας είναι ένα κοινό συστατικό των μεγάλων συστημάτων (framework) που διεξάγονται σε πολλά επιστημονικά πεδία, όπως η γεωλογία, η ωκεανογραφία κ.λπ.. Εντός του τομέα της υδρολογίας, δεν έχουν υπάρξει, μέχρι σήμερα, κάποια διεθνώς αναγνωρισμένα standards για την οργάνωση των δεδομένων, την μορφοποίηση και τους μηχανισμούς δημοσίευσης τα οποία θα μπορούν να αυξήσουν τη διαλειτουργικότητα των μοντέλων, ωστόσο ο τρόπος που έχει επικρατήσει ως τώρα είναι αυτά τα δεδομένα να εκφράζονται ως χρονοσειρές. Κατά συνέπεια, τα δεδομένα παρατηρήσεων είναι αριθμητικές χρονοσειρές που συλλέγονται στο πεδίο μελέτης, όπως μετρήσεις αγωγιμότητας, μετρήσεις ανεύρεσης ιχνοστοιχείων που αφορούν την ποιότητα του νερού, καθώς και μετρήσεις μετεωρολογικών σταθμών που αφορούν τις κλιματολογικές συνθήκες, οι οποίες με τη σειρά τους επηρεάζουν την ποσότητα και την ποιότητα του νερού ή τις μελλοντικές κλιματικές αλλαγές. Για τους παραπάνω λόγους, κάθε μία από αυτές τις προσπάθειες δημιουργίας ολοκληρωμένων συστημάτων μοντελοποίησης και διαχείρισης υδατικών πόρων βρίσκεται αντιμέτωπη με νέες προκλήσεις που περιλαμβάνουν τη δημιουργία υποδομών συλλογής δεδομένων σε ευρεία κλίμακα, τη διαχείριση της αύξησης του όγκου των δεδομένων, τη χρονική και χωρική συχνότητα συλλογής δεδομένων, την οργάνωση και μορφοποίησή τους και τη δυνατότητα επικοινωνίας των εν γένει ετερογενών μοντέλων σε ένα σύστημα ολοκληρωμένης διαχείρισης. Αν προσθέσει κανείς τις ιδιαιτερότητες των ενσωματωμένων μοντέλων που αφορούν τη χρονική και χωρική τους διακριτοποίηση, τότε το πρόβλημα γίνεται δυσκολότερο. Ο στόχος του προτεινόμενου ερευνητικού προγράμματος είναι να αναπτυχθεί ένα ολοκληρωμένο σύστημα παρακολούθησης και προσομοίωσης του οικοσυστήματος της λεκάνης απορροής της λίμνης Κάρλας, που αποτελείται από μια σειρά συνδεμένων μαθηματικών μοντέλων τα οποία προσομοιώνουν: 1. τις υδρολογικές διαδικασίες διάδρασης των επιφανειακών υδάτων με τον υπόγειο υδροφορέα και τη λίμνη, 4

11 2. το υδατικό ισοζύγιο της λίμνης και του υδροβιότοπου, 3. την περιβαλλοντική και οικολογική δυναμική της λίμνης και του υδροβιότοπου και 4. τις επιδράσεις της διαχείρισης των υδατικών πόρων στην τοπική κοινωνία μέσα από ένα κοινωνικοοικονομικό πρίσμα. Αυτό το σύστημα διαμόρφωσης έχει υλοποιηθεί και ενσωματώνει: Ένα δίκτυο μετεωρολογικών σταθμών με πομποδέκτες οι οποίοι επικοινωνούν όλες τις κλιματολογικές μετρήσεις σε πραγματικό χρόνο. Ένα εξιδεικευμένο μοντέλο μέτρησης και πρόβλεψης διαφόρων περιβαλλοντικών επιπτώσεων στη λίμνη, το οποίο βασίζεται σε τακτές περιβαλλοντικές μετρήσεις. Ένα γεωγραφικό σύστημα πληροφοριών (Geographical Information System, GIS) όπου θα αποθηκεύονται, θα παρουσιάζονται με διαγραμματικό τρόπο και θα χρησιμοποιούνται για προσομοίωση όλες οι απαραίτητες φυσικές και κοινωνικές πληροφορίες της περιοχής. Σύμφωνα με την εισήγηση της πρότασης για το παρόν ερευνητικό πρόγραμμα, προτείνεται η δημιουργία ενός ολοκληρωμένου συστήματος monitoring για περιβαλλοντικά οικοσυστήματα, το οποίο περιλαμβάνει συστήματα γεωγραφικών πληροφοριών, γεωβάσεις, on-line μετεωρολογικά δεδομένα, μοντέλα επιφανειακής και υπόγειας υδρολογίας, μοντέλα περιβαλλοντικής παρακολούθησης, μοντέλα ποιότητας υδατικών πόρων κ.λπ. Καθώς το σύστημα εφαρμόζεται στη λίμνη Κάρλα, έχουμε ενσωματώσει επίσης ένα μοντέλο υδατικού ισοζυγίου στον ταμιευτήρα της λίμνης. Η ολοκλήρωση του συστήματος απαιτεί έναν πυρήνα/driver που περιέχει το Graphical User Interface που καθοδηγεί τον χρήστη και προσφέρει σε αυτόν ένα φιλικό στον χρήστη περιβάλλον. Συνάμα το συνολικό σύστημα έχει εξοπλιστεί με διάφορα utilities καθώς επίσης και με ένα web service το οποίο χρησιμοποιείται για την οπτικοποίηση όλων των on-line μετρήσεων μέσω ενός διαβαθμιζόμενου ως προς την πρόσβαση ιστότοπου. Παράλληλα με το παραπάνω σύστημα έχει δημιουργηθεί ένα μη-αυτοματοποιημένο μοντέλο το οποίο μελετά τη συνέπεια των κλιματικών και περιβαλλοντικών αλλαγών στην κοινωνική και οικονομική ζωή 5

12 των κατοίκων της περιοχής μελέτης. Αν και αυτή είναι μια μελέτη στηριγμένη σε μεθοδολογίες στατιστικής, εντούτοις την ονομάζουμε και αυτή μοντέλο για λόγους ισονομίας με τα προηγούμενα. Παρακάτω δίνουμε μια ολοκληρωμένη αλλά και λεπτομερή λύση, σε τεχνικό επίπεδο, της υλοποίησης του ολοκληρωμένου συστήματος. Καταρχάς, έχει αναπτυχθεί μια λεπτομερής γεωγραφική βάση δεδομένων η οποία έχει αποθηκευτεί σε ένα σύστημα GIS. Αυτή η βάση δεδομένων περιέχει τοπογραφικά στοιχεία (π.χ. ψηφιακά μοντέλα εδάφους Digital Elevation Model (DEM)) της λεκάνης απορροής και της περιοχής της λίμνης, στοιχεία χρήσεων γης και στοιχεία φυτοκάλυψης που έχουν ανακτηθεί από διεθνείς βάσεις δεδομένων (π.χ. βάση δεδομένων CORINΕ) ή από τις δορυφορικές εικόνες (π.χ. εικόνες LANDSAT). Επιπρόσθετα, αυτή η βάση δεδομένων έχει ενισχυθεί με στοιχεία κοινωνικοοικονομικών στατιστικών σχετικά με την περιοχή μελέτης, το δίκτυο μεταφορών, τους οικισμούς και τα αστικά κέντρα, τις βιομηχανικές περιοχές, και τις θέσεις των μετεωρολογικών σταθμών. Κλιματολογικές μετρήσεις (βροχόπτωση, εξατμισοδιαπνοή, θερμοκρασία αέρα κ.λπ.) καθώς και περιβαλλοντικές μετρήσεις ανακτώνται από ένα δίκτυο μετεωρολογικών σταθμών που έχουν εγκατασταθεί στη περιοχή μελέτης και διοχετεύουν με δεδομένα, μέσω δικτύωσης GSM και ενός εξυπηρετητή (server), τη βάση του γεωγραφικού πληροφοριακού συστήματος. Το σύστημα GIS έχει στενή σύνδεση με τη βάση δεδομένων και συμβάλει στην ανάλυση των δεδομένων εισόδου στο framework, αλλά η λογική οπτικοποίησης των δεδομένων με βάση το GIS είναι η λογική που χρησιμοποιείται στο όλο σύστημα, δηλαδή η δημιουργία θεματικών χαρτών. Όσον αφορά το κοινωνικοοικονομικό μοντέλο, αυτό απαιτεί την ανάλυση των σχέσεων μεταξύ των φυσικών καταστάσεων συστημάτων με τις ανθρώπινες παρεμβάσεις στη διαχείριση των υδατικών πόρων και τις σχετικές κοινωνικοοικονομικές διαδικασίες που συνοδεύονται. Κατά συνέπεια, αρχικά αναλύονται από τα διαθέσιμα υδρολογικά στοιχεία οι υδρολογικές διεργασίες της περιοχής μελέτης και τα φυσικά χαρακτηριστικά των λεκανών απορροής που υφίστανται. Κατόπιν, αυτές οι ίδιες οι φυσικές καταστάσεις αναθεωρούνται στο πλαίσιο των διαδικασιών εκσυγχρονισμού της περιοχής της Θεσσαλίας. Οι τελευταίες διαδικασίες έχουν αλλάξει, επαναπροσδιορίσει και μετασχηματίσει αυτά τα φυσικά χαρακτηριστικά, όπως η περίπτωση της λίμνης Κάρλας. Πιο συγκεκριμένα τα βήματα που ακολουθήσαμε είναι τα εξής: 6

13 1. Η ανάλυση των κοινωνικοοικονομικών, πολιτικών καθώς επίσης και των φυσικών προϋποθέσεων που οδήγησαν στην αποξήρανση της λίμνης. 2. Η ανάλυση των συνεπειών που είχε η αποξήρανση της λίμνης στην τοπική αγροτική παραγωγή, τον πληθυσμό και τις τοπικές κοινωνίες, στις χρήσεις γης στην περιοχή και την ανακατασκευή της τοπικής γεωγραφίας. 3. Η αξιολόγηση της επίδρασης της αποκατάστασης της λίμνης σχετικά με τα προαναφερθέντα στοιχεία της έρευνας που ενδιαφέρουν. Παράλληλα, εξετάζονται η σχέση των υδατικών πόρων με την ύπαρξη της λίμνης, καθώς επίσης και η σχέση της αποξήρανσης και της αποκατάστασης στα πλαίσια των περιφερειακών ιστορικών, οικονομικών και παραγωγικών μετασχηματισμών. Αυτή η ανάλυση επικεντρώνεται στην τοπική γεωργία και τη σχετική βιομηχανική παραγωγή, που εστιάζεται και εξαρτάται από τους μετασχηματισμούς των τοπικών παραδοσιακών δομών στο πλαίσιο της ελληνικής κοινωνικοοικονομικής ανάπτυξης. Εξετάζονται επίσης τα διάφορα εθνικά και περιφερειακής-κλίμακας προγράμματα της διαχείρισης και της διανομής νερού κατά τη διάρκεια των σύγχρονων περιόδων. Τελικά, η μελέτη επιδιώκει να ερευνήσει τις πιθανές ενσωματωμένες αντιφάσεις στο τρέχον θεσμικό πλαίσιο και τη σχετική πολιτική ατζέντα γύρω από την αποκατάσταση των υδατικών πόρων της λίμνης και της περιοχής της Θεσσαλίας. Στη συνέχεια αναπτύσσονται και εφαρμόζονται τα μοντέλα προσομοίωσης. Σύμφωνα με τη φυσική και λογική σειρά τους, το πρώτο μοντέλο που αναπτύσσεται είναι αυτό που προσομοιώνει την υδρολογία της επιφάνειας του εδάφους. Η επίτευξη αυτού του στόχου βασίζεται στην περαιτέρω εξέλιξη του μοντέλου UTHBAL. Το τελευταίο έχει χρησιμοποιηθεί εκτενώς σε λεκάνες απορροής της Θεσσαλίας, αλλά και της Κύπρου, της Κρήτης και του ποταμού Νέστου με επιτυχία. Το μοντέλο αναπτύχθηκε αρχικά ως μηνιαίο αδρομερές μοντέλο, αν και πρόσφατα έχει επεκταθεί σε ένα πλήρως κατανεμημένο υδρολογικό μοντέλο. Χρησιμοποιεί ως δεδομένα εισόδου τις χρονοσειρές της βροχόπτωσης, της θερμοκρασίας και της δυνητικής εξατμισοδιαπνοής σε κάθε χωρικό πλέγμα της κατανομής. Το μοντέλο διακρίνει τη συνολική υετόπτωση σε βροχόπτωση και 7

14 χιονόπτωση, για την προσομοίωση της απορροής που προέρχεται από το λιώσιμο του χιονιού. Το μοντέλο διακρίνει ωστόσο τη συνολική απορροή της λεκάνης σε τρεις συνιστώσες απορροής: α) την επιφανειακή απορροή, β) την εδαφική απορροή και γ) τη βασική απορροή χρησιμοποιώντας έναν μηχανισμό εδαφικής υγρασίας. Το μοντέλο υπολογίζει ως αποτελέσματα: α) την πραγματική εξατμισοδιαπνοή, β) την απορροή, γ) την εδαφική υγρασία, και δ) τη βαθιά διήθηση. Το μοντέλο UTHBAL υπολογίζει την εισροή επιφανειακής απορροής στη λίμνη και τον υγροβιότοπο, καθώς και τη βαθιά διήθηση που χρησιμοποιείται ως είσοδος στο μοντέλο προσομοίωσης του υδροφορέα. Το μοντέλο της λίμνης που χρησιμοποιείται στο ολοκληρωμένο σύστημα προσομοίωσης και πρόβλεψης έχει αναπτυχθεί και έχει χρησιμοποιηθεί για την προσομοίωση της λειτουργίας ταμιευτήρων και φυσικών λιμνών. Το μοντέλο της λίμνης σταθμίζει τις εισροές νερού (δηλ. τη φυσική επιφανειακή απορροή, τη μεταφορά νερού, κ.λπ.), τις εκροές νερού (δηλ. τις απολήψεις νερού, την υπερχείλιση κ.λπ.) και τις καθαρές απώλειες νερού (δηλ. τη διαφορά μεταξύ της υετόπτωσης, και της εξάτμισης, της διήθησης προς των υδροφορέα κ.λπ.). Ως αποτέλεσμα υπολογίζεται ο αποθηκεμένος όγκος νερού στον ταμιευτήρα ή λίμνη και η έκταση της ελεύθερης επιφάνειας του ταμιευτήρα ή της λίμνης. Η διαδικασία μπορεί να εφαρμοστεί και να υπολογιστεί σε οποιοδήποτε χρονικό βήμα που κυμαίνεται από ημερήσιο ως και μηνιαίο ανάλογα με τη διαθεσιμότητα των δεδομένων. Το μοντέλο προσομοίωσης του υδροφορέα, που χρησιμοποιείται έπειτα, είναι το μοντέλο Visual Modflow. Το υδρολογικό σύστημα μεταξύ των επιφανειακών και υπογείων υδρολογικών διεργασιών στην περιοχή έχει υλοποιηθεί επιτυχώς, συνδέοντας off-line το UTHBAL και το Visual Modflow. Στο διάγραμμα 1.1 παρουσιάζονται τρεις διαφορετικές περιπτώσεις σύζευξης του επιφανειακού μοντέλου UTHBAL με το υπόγειο μοντέλο Visual Modflow για τη λεκάνη απορροής της Κάρλας. Η πρώτη περίπτωση αφορά την αδρομερή διακριτοποίηση του μοντέλου UTHBAL, η δεύτερη την ημι-διακριτοποιημένη ανάπτυξη του UTHBAL και η τρίτη την πλήρως διακριτοποιημένη ανάπτυξη του UTHBAL. Σε όλες τις περιπτώσεις το μοντέλο Modflow είναι πλήρως διακριτοποιημένο. Το υπόγειο μοντέλο έχει ήδη χρησιμοποιηθεί για την προσομοίωση της αλληλεπίδρασης λίμνης-υπόγειων υδάτων 8

15 σε άλλες δύο ελληνικές λίμνες, τη λίμνη της Καστοριάς (Hrissanthou et. Al, 2003) και τη λίμνη Κορώνεια (Mylopoulos, N. et.al, 2006). α) β) γ) 9

16 Σχήμα 1.1: Τίτλος σχήματος Περιπτώσεις σύζευξης των μοντέλων επιφανειακής και υπόγειας υδρολογίας (α) Αδρομερής προσέγγιση (Lumped approach) β) Ημι-διακριτοποιημένη προσέγγιση (Semidistributed approach) γ) Πλήρως διακριτοποιημένη προσέγγιση (Fully distributed approach) Η ρηχή ως τώρα λίμνη Κάρλα αντιμετωπίζεται ως ένας τεχνητός υδροβιότοπος. Οι υδροβιότοποι μπορούν να αποτελούν φυσικές λεκάνες επεξεργασίας για σχεδόν οποιαδήποτε χημική ουσία και έχουν χρησιμοποιηθεί ακόμη και για την επεξεργασία αποβλήτων από διάφορες πηγές. Ένας από τους στόχους του προτεινόμενου προγράμματος είναι η ανάπτυξη ενός ρεαλιστικού μοντέλου οικοσυστήματος, το οποίο θα εστιάζει στην αρχική παραγωγικότητα, τα ιζήματα, το φώσφορο, το άζωτο, τις τοξικές ουσίες, και τη δυναμική των ζιζανιοκτόνων σε επίπεδο οικοσυστήματος, έτσι ώστε, τελικά, η διατήρησή τους υπό τους διαφορετικούς υδρολογικούς όρους να μπορεί να προβλεφθεί. Ένα τέτοιο προκαταρκτικό μαθηματικό μοντέλο έχει κατασκευαστεί ήδη στο Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας, το οποίο χρησιμοποιεί το φώσφορο ως ποιοτική παράμετρο. Είναι ένα λεπτομερές μοντέλο οικοσυστήματος που προσομοιώνει τις βασικές διαδικασίες που συντελούνται στον κύκλο του φωσφόρου στον υδροβιότοπο και αναλύει τη σημασία καθεμίας από αυτές. Με αυτό τον τρόπο, κάποιος μπορεί να έχει μια πλήρη εικόνα της πορείας του φωσφόρου στον υδροβιότοπο αντλώντας όλες τις πληροφορίες για τη σημασία των σχετικών διαδικασιών που πραγματοποιούνται. Συγχρόνως αναπτύσσονται παρόμοια πρότυπα και για άλλους ρυπογόνους παράγοντες, όπως το άζωτο, τα βαριά μέταλλα, άλλες τοξικές ουσίες ή/και ζιζανιοκτόνα-φυτοφάρμακα. Τα βήματα τα οποία ακολουθήθηκαν στην ανάπτυξη των μοντέλων οικοσυστήματος είναι τα εξής: 1. Δημιουργία μαθηματικού μοντέλου όλων των σχετικών διαδικασιών, δηλαδή, χρησιμοποιώντας το ισοζύγιο μάζας, και ανάπτυξη διαφορικών εξισώσεων για όλες τις ενώσεις που μελετώνται. Τέτοιες ενώσεις περιλαμβάνουν μεταξύ των άλλων: το φυτοπλαγκτόν, τα μακρόφυτα, ιζήματα (που αναστέλλονται, είναι ενεργά ή είναι βαθιά), τα κατώτατα ιζήματα, ο φώσφορος στα ιζήματα και ο φώσφορος στην υδάτινη στήλη, 10

17 2. Εισαγωγή διάφορων παραμέτρων που είναι χρήσιμες στο μοντέλο. Το περιβαλλοντικό μοντέλο που χρησιμοποιείται είναι το PCLake. Αυτοί οι παράμετροι μπορεί να είναι τα διάφορα μετεωρολογικά, χημικά και βιολογικά χαρακτηριστικά, η υδρολογία του συστήματος, οι χρήσεις γης της παρακείμενης περιοχής, η σχετικότητα άλλων παρακείμενων οικοσυστημάτων, κ.λπ. Αυτές οι παράμετροι εισάγονται στα μοντέλα ως δεδομένα εισόδου που προέρχονται από τη σύζευξη του επιφανειακού υδρολογικού μοντέλου (UTHBAL) με το μοντέλο της λίμνης και τα μετεωρολογικά δεδομένα και οι μετρήσεις της περιοχής μελέτης. 3. Ανάπτυξη και εφαρμογή των εξισώσεων σε λογισμικό για την εκτέλεση των προσομοιώσεων και 4. επίλυση των εξισώσεων χρησιμοποιώντας τις αριθμητικές μεθόδους που είναι καταλληλότερες για τη φύση και την πολυπλοκότητα των διαφορικών εξισώσεων που λύνονται. 1.2 Γενικές Αρχές της Μεθοδολογίας του Συστήματος Το κίνητρο για την προσομοίωση και την παρακολούθηση των πολύπλοκων περιβαλλοντικών διαδικασιών έχει μεγάλη σημασία και είναι εμπνευσμένο από την ανάγκη για την επίλυση όλο και πιο πολύπλοκων προβλημάτων που προέρχονται από τον πραγματικό κόσμο και αφορούν το περιβάλλον και τη σχέση του με τα ανθρώπινα συστήματα και τις δραστηριότητες. Για το λόγο αυτό, περίπλοκη έρευνα στη διαχείριση τέτοιων συστημάτων λεκανών απορροής συχνά απαιτούν την ταυτόχρονη και συνεργατική χρήση των πολλαπλών μοντέλων προσομοίωσης. Οι περισσότεροι από τους ερευνητές προσεγγίζουν το πρόβλημα με κατακερματισμό της προσομοίωσης των μακροσκοπικών φαινομένων χρησιμοποιώντας μια συλλογή από μοντέλα που προσομοιώνουν επιμέρους διαδικασίες με μία διαδοχική μεθοδολογία ή μια μεθοδολογία κλιμάκωσης και στο τέλος της διαδικασίας αυτής κάνουν άθροιση των επιμέρους αποτελεσμάτων. Έτσι λοιπόν η ακριβής χρήση διαφόρων μοντέλων και προτύπων σε συνδυασμό με τον καθορισμό σαφών κριτηρίων αξιολόγησης επιτρέπει την αυστηρή και ποσοτική σύγκριση των διαφόρων 11

18 παρεμβάσεων, την πρόβλεψη των συμβιβασμών μεταξύ πολλαπλών στόχων και, εν τέλει, τον υπολογισμό της πιο προσεγγιστικής βέλτιστης λύσης. Ωστόσο, η εφαρμογή του μηχανισμού εφαρμογής ασύνδετων ασυμμετρικών μοντέλων καθώς και μεθοδολογιών και στρατηγικών λειτουργίας τους μπορεί να προσφέρει μόνο γνώσεις σχετικά με τη συμπεριφορά των διεργασιών εντός συγκεκριμένης έρευνας αλλά αποκλείει τον τομέα των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των διεργασιών σε διαφορετικούς τομείς. Επιπλέον, η πολυπλοκότητα του προβλήματος επιδεινώνεται όταν οι εμπλεκόμενες φυσικές διεργασίες που μελετιούνται γίνονται με τη χρήση ατομικών μοντέλων (για παράδειγμα επιφανειακής υδρολογίας, υπόγεια υδρολογία, το οικοσύστημα κλπ.). Τα μοντέλα αυτά θα πρέπει να συνδυαστούν ή να διασυνδεθούν για να εξερευνήσουμε τις τυχόν αλληλο-εξαρτήσεις εισόδου και εξόδου δεδομένων. Η επιτυχία αυτής της διαδικασίας εξαρτάται από την ανάπτυξη ενός συνεργατικού περιβάλλοντος σύμφωνα με την οποίο είναι αλληλένδετα αυτά τα μοντέλα, χωρικά συνδεδεμένα, και συνήθως παραμετροποιημένα αποκαλύπτοντας τις κατάλληλες παραμέτρους βαθμονόμησης και σίγουρα παρουσιάζοντας ολόκληρο το φυσικό σύστημα. Με τη συνεργατική μοντελοποίηση, τα επιμέρους μοντέλα μπορούν να μοιραστούν δεδομένα εισόδου και εξόδου, να επιτευχθεί χωρικός και χρονικός συγχρονισμός δεδομένων και να αναπτυχθεί ένα μέσο για να προβλέπει την ολιστική απόκριση του συστήματος. Σύμφωνα με τα ανωτέρω, πρέπει να σημειωθεί επίσης ότι οι παραδοσιακές τεχνικές υδρολογίας, μηχανικής, γεωγραφικής γεωδεσίας και οικονομολογίας που αφορά τη διαχείριση υδατικών πόρων ολοένα και λιγότερο είναι σε θέση να συμβάλουν με δημιουργικούς τρόπους στην άμβλυνση των προβλημάτων που συνδέονται με τις σύγχρονες ανθρώπινες πρακτικές που αφορούν το νερό. Και αυτό γιατί σήμερα, δεν αμφισβητείται από κανένα ότι το κοινωνικό και το φυσικό περιβάλλον δεν μπορούν να διαχωριστούν, αλλά είναι συνυφασμένα με συνεχώς μεταβαλλόμενους τρόπους στην παραγωγική διαδικασία τόσο της κοινωνίας όσο και του φυσικού περιβάλλοντος. Η γενική μεθοδολογία της συνεργατικής ολοκλήρωσης περιβαλλοντικών και υδρολογικών μοντέλων περιλαμβάνει ουσιαστικά την ανάπτυξη ενός συνόλου αλληλεξαρτώμενων λειτουργιών (μοντέλα, δεδομένα, μέθοδοι αξιολόγησης), που μαζί αποτελούν τη βάση για την κατασκευή ενός κατάλληλου συστήματος μοντελοποίησης. Ο 12

19 κύριος σκοπός αυτών των εφαρμογών είναι να παρέχουν ένα ολοκληρωμένο εργαλείο αξιολόγησης τόσο για τους ερευνητές όσο και για τους εμπλεκόμενους φορείς στο πλαίσιο λήψης αποφάσεων. Το πλαίσιο αυτό συγκεντρώνει διάφορες περιβαλλοντικές και φυσικές επιστήμες με ηλεκτρονικές μεθόδους για να χαρακτηρίσει μια μελέτη στο ίδιο θέμα μέσα στα όρια μιας μεμονωμένης ερευνητικής τεχνικής. Μια μέθοδος για το σχεδιασμό ενός συστήματος συνεργατικής μοντελοποίησης είναι να συζευχθούν υπάρχοντα μοντέλα μαζί, έτσι ώστε, να γίνει ένα ενιαίο, μεγαλύτερο μοντέλο. Αυτή η προσέγγιση ακολουθεί το παράδειγμα της «σφιχτής ενσωμάτωσης» (tight integration), η οποία δεν μπορεί να ξεπεράσει το ακόλουθο μειονέκτημα: όταν τα μοντέλα ενσωματώνουν την προσομοίωση πρόσθετων διαδικασιών, που επεκτείνονται πέρα από την εμπειρία του αρχικού τους σκοπού, σταδιακά έχουν την τάση να παρεισφρήσουν σε περιοχές γειτονικών ερευνητικών κλάδων. Μια εναλλακτική προσέγγιση για την οικοδόμηση πολύπλοκων συστημάτων μοντελοποίησης του νερού είναι η σύζευξη μοντέλων χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της «χαλαρής ενσωμάτωσης», (loose integration). Τέτοιου είδους μοντέλα, software components, βιβλιοθήκες λογισμικού ή ακόμα και stand-alone εκτελέσιμες εφαρμογές με τη χαλαρή σύζευξη μπορούν να ενταχθούν σε ένα κοινό πλαίσιο μοντελοποίησης και να μοιράζονται δεδομένα μέσω μιας κοινής βάσης δεδομένων αλλά η ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ τους να μην γίνεται αδόμητα παρά με ένα κοινό μεταξύ τους standard λογισμικού. Με το σχεδιασμό αυτό ακολουθείται μια τυποποιημένη προδιαγραφή διασύνδεσης και είναι δυνατόν να δημιουργηθεί ένα γενικό πλαίσιο μοντελοποίησης που διευκολύνει την επικοινωνία μοντέλου-προς-μοντέλο ή την επικοινωνία μοντέλου-προς-μοντέλα κατά τη διάρκεια μιας προσομοίωσης. Με βάση τα παραπάνω, παρουσιάζουμε στο παρόν έγγραφο ένα συνεργατικό πρότυπο ενσωμάτωσης υδρολογικών και περιβαλλοντικών μοντέλων που προσδιορίζει πέντε σημαντικά ορόσημα για την ανάπτυξή του: σύλληψη του συστήματος, μοντελοποίηση, σύζευξη μοντέλων, 13

20 παρακολούθηση και ανάλυση και αξιολόγηση όπως αυτό προσδιορίζεται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 1.2: Γενική αρχιτεκτονική συνεργατικών πλαισίων μοντελοποίησης. Ο εννοιολογικός ορισμός του συστήματος είναι μια διαδικασία που είναι πολύ σημαντική, αλλά μερικές φορές είναι η λιγότερο κατανοητή από όλες τις δραστηριότητες μοντελοποίησης. Για τα υδρολογικά και περιβαλλοντικά προβλήματα που είναι προσανατολισμένα σε δεδομένα γεωδετικού περιεχομένου και χαρακτηρίζονται με ένα τρισδιάστατο τρόπο, συνήθως ο εννοιολογικός ορισμός του προβλήματος ασχολείται με τη μελέτη της κάθε περίπτωσης (δηλαδή το πεδίο της μελέτης στο οποίο εφαρμόζονται τα μοντέλα) και τον «τεμαχισμό» του προβλήματος σε κάθε μία από τις τρεις διαστάσεις, προκειμένου να αναλυθεί αποτελεσματικά. 14

21 Τα μοντέλα μπορούν να είναι είτε custom made ή λογισμικά εμπορικής χρήσης τα οποία είναι έξυπνα παραμετροποιημένα και βαθμονομημένα ανάλογα με την προσομοίωση ορίζοντας σωστά διάφορες οντότητες/ποσότητες παρακολούθησης. Το ίδιο συμβαίνει και με τα εργαλεία αξιολόγησης. Από την άλλη πλευρά, η διαδικασία σύζευξης γίνεται μια αρκετά δύσκολη διαδικασία ειδικά στην περίπτωση που τα μοντέλα φέρουν περιορισμούς στην πρόσβαση του πηγαίου κώδικα του λογισμικού. Τα τελευταία χρόνια χρησιμοποιούνται πρότυπα ανοικτού κώδικα για την ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ μοντέλων τα οποία επιτρέπουν την σύγχρονη εκτέλεσή τους η οποία συνοδεύεται με τα χαρακτηριστικά του χωρικού και χρονικού συγχρονισμού, έτσι ώστε να μπορούν να εκτελεστούν παράλληλα και αλληλεπιδραστικά. Όσον αφορά την διαδικασία παρακολούθησης, (monitoring process) αυτή είναι συνήθως ένα λογισμικό custom made και υλοποιείται ως ένα wrapper software που ξεκινά προσομοιώσεις, διαχειρίζεται τα δεδομένα και χειρίζεται τη λειτουργία διασύνδεσης και σύζευξης μεταξύ των εμπλεκόμενων μοντέλων προσομοίωσης. 1.3 Αρχιτεκτονική του πλαισίου προσομοίωσης Η μεθοδολογία που προτείνεται ενσωματώνει και διασυνδέει τα ανωτέρω μοντέλα/υποσυστήματα μέσα σε ένα πλαίσιο προσομοίωσης (modeling framework). Οι βασικές λειτουργίες του συστήματος είναι οι εξής: 1. Να επεξεργάζεται τα στοιχεία με ένα δυναμικό/αυτόματο τρόπο από ένα εξυπηρετητή στον οποίο διοχετεύονται κλιματολογικά δεδομένα από ένα δίκτυο μετεωρολογικών σταθμών που διαδίδει τις μετρήσεις του ασύρματα μέσω τεχνολογίας GSM για την αποθήκευσή τους. Το σύστημα αποτελείται από διάφορα ενσωματωμένα εργαλεία ανάλυσης και επεξεργασίας δεδομένων για τον υπολογισμό της χωρικής παραλλαγής των μετεωρολογικών μεταβλητών εντός της περιοχής του υδροκρίτη χρησιμοποιώντας τις μετρήσεις των σταθμών ή παράγοντας μηνιαίους και ετήσιους πίνακες συχνοτήτων από τις χρονοσειρές δεδομένων. 2. Να παρέχει μια αυτόματη διαδικασία αξιολόγησης και βελτιστοποίησης για το σύστημα και τις ενότητές του. Αυτό σημαίνει ότι : 15

22 a. Έχουν μελετηθεί προσεκτικά και δημιουργούνται δυναμικοί σύνδεσμοι και ανατροφοδοτήσεις μεταξύ των μεμονωμένων μοντέλων. b. Έχουν μελετηθεί και καθοριστεί οι χωρικές διακριτοποιήσεις και τα όρια μεταξύ των μοντέλων που απαιτούνται. c. Έχουν οριστεί οι μετρήσιμες ποσότητες (π.χ. απορροή επιφάνειας, επίπεδο υπόγειων νερών, συγκέντρωση των χημικών ουσιών, κ.λπ.) που είναι διαθέσιμες και ικανές να καθορίσουν την αποδοτικότητα των μεμονωμένων μοντέλων αλλά και το σύστημα του πλαισίου προσομοίωσης (modeling framework) στο σύνολο του. d. Έχουν επιλεχθεί οι αντικειμενικές συναρτήσεις που απαιτούνται για την αξιολόγηση του συστήματος καθώς και της υπομέρους αποδοτικότητας του κάθε υποσυστήματος. 3. Να είναι σε θέση να ενσωματώσει διάφορα μελλοντικά μοντέλα για τη σύγκριση και τη βελτιστοποίηση των σχετικών παραμέτρων που εμπλέκονται. Τα μοντέλα τα οποία ενσωματώνονται στο framework του Υδρομέντορα είναι τα εξής: Μοντέλο Επιφανειακής Υδρολογίας (UTHBal) Μοντέλο Υδατικού Ισοζυγίου της Λίμνης (UTHRL) Μοντέλου Υπόγειας Υδρολογίας (GMS-MODFLOW) Μοντέλο Υπολογισμού διαρροής στα υπόγεια ύδατα (LAK3) Μοντέλο υπολογισμού ποιότητας υπόγειων υδάτων (MT3DMS) Μοντέλο υπολογισμού ευτροφισμού σε ρηχές λίμνες και τέλματα (PCLake) Η αρχιτεκτονική του συστήματος φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: 16

23 Σχήμα 1.3: Αρχιτεκτονική του πλαισίου προσομοίωσης του «Υδρομέντωρ». Στο παραπάνω σχήμα φαίνονται σε ένα ενοποιημένο πλαίσιο όλα τα μοντέλα (υδρολογικά και περιβαλλοντικά που χρησιμοποιούνται στον «Υδρομέντορα». Πιο συγκεκριμένα υπάρχει ένα δίκτυο μετεωρολογικών σταθμών οι οποίοι ανά δέκα λεπτά αποστέλλουν διάφορες μετεωρολογικές μετρήσεις. Μέσω μιας υπηρεσίας διαδικτύου (web service) όλες οι μετρήσεις συναθροίζονται και μπορούν να οπτικοποιηθούν για εντεταλμένους χρήστες που έχουν πρόσβαση στα δεδομένα αυτά. Περαιτέρω, η υπηρεσία διαδικτύου επεκτείνεται με γεωδεσία των παραπάνω δεδομένων ώστε αυτά να προστίθενται στα ήδη υπάρχοντα (ιστορικά δεδομένα) σε μία βάση δεδομένων ως κομμάτι του ήδη υφιστάμενου γεωγραφικού συστήματος πληροφοριών που έχει αναπτυχθεί στο Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας. Διάφορες περιβαλλοντικές μετρήσεις επίσης καταγράφονται περιοδικά και οι οποίες επίσης συναθροίζονται με παρόμοιο τρόπο όπως εξηγήθηκε προηγουμένως για τα μετεωρολογικά δεδομένα. 17

24 Τα δεδομένα από το σύστημα GIS τροποποιούνται μέσω ενός γενικού μετατροπέα γεμίζοντας μία νέα βάση δεδομένων η οποία είναι προσανατολισμένη περισσότερο στην γεωδεσία των δεδομένων και όχι τίνος μοντέλο αποτελούν κομμάτι. Το σύστημα που εφαρμόζεται σαν μετατροπέας είναι σχεδιασμένο να αποθηκεύει όλα τα δεδομένα από όλα τα μοντέλα σε μια σχεσιακή βάση δεδομένων. Αυτό μας επιτρέπει να εφαρμόσουμε διάφορες μελλοντικές υπηρεσίες διαδικτύου οι οποίες θα μπορούν να κάνουν ερωτήματα (SQL-Queries) στη βάση δεδομένων και να παρέχουν διάφορα συστήματα απεικόνισης επί των ζητούμενων δεδομένων. Επιπλέον, στη βάση δεδομένων αυτή έχει ενσωματωθεί σχέδιο που υποστηρίζει μεταδεδομένα που σχετίζονται με τις προσομοιώσεις, αναθεωρήσεις μοντέλων και προφίλ χρηστών Βάση Δεδομένων ενοποίησης μοντέλων Ο σχεδιασμός της βάσης δεδομένων φαίνεται στο επόμενο σχήμα. Στις επόμενες παραγράφους θα περιγράψουμε συνοπτικά τη δομή της βάσης δεδομένων. Η κύρια ιδέα πίσω από το σχεδιασμό της βάσης δεδομένων είναι να επιτρέψουμε τη μόνιμη αποθήκευση τόσο για τα δεδομένα όσο και για τα μεταδεδομένα των μοντέλων και συνάμα για την καλύτερη διαχείριση των αρχείων της βάσης δεδομένων. 18

25 Έχουμε σχεδιάσει το σύστημα κατά τέτοιο τρόπο ώστε να επιτρέπει επίσης πολλαπλές αναθεωρήσεις δεδομένων του ίδιου μοντέλου, έτσι ώστε να είναι ευκολότερη η τυχόν επεξεργασία δεδομένων στο μέλλον. Πριν αναλύσουμε τη δομή καθενός από τους πίνακες, είναι σημαντικό να καθοριστούν ορισμένα πεδία τα οποία είναι κοινά σε όλους τους πίνακες της βάσης. Κάθε πίνακας φέρει ένα πεδίο που ονομάζεται RegDate το οποίο είναι ένα υπολογιζόμενο πεδίο που αποθηκεύει την ημερομηνία κάθε συγκεκριμένης εγγραφής όταν για πρώτη φορά εισάγεται αυτή στη βάση δεδομένων. Σχήμα 1.4: Σχεσιακό διάγραμμα της βάσης δεδομένων Ένα άλλο κοινό πεδίο είναι το πεδίο του χρήστη (User), το οποίο δεν είναι τίποτε άλλο, αλλά το user-id του χρήστη που εισάγει τη συγκεκριμένη εγγραφή. Τα πεδία αυτόματης αρίθμησης (AutoNumber) είναι επίσης κοινά σε όλους τους πίνακες και είναι απλά ένας αριθμός που αυξάνεται αυτόματα και είναι μοναδικός για κάθε εγγραφή. Τέλος, το πεδίο με το αναγνωριστικό ID στην κατάληξη (π.χ. VariableID στον πίνακα tblvariables) είναι το πρωτεύον κλειδί κάθε πίνακα και αποθηκεύει ένα 128-bit αναγνωριστικό που είναι μοναδικό για κάθε εγγραφή στη βάση δεδομένων και είναι ξένο κλειδί στη σύνδεση των πινάκων μεταξύ τους. Έχουμε ενσωματώσει τη χρήση ενός καθολικού μοναδικού 19

26 αναγνωριστικού στην περίπτωση που υπάρχουν ταυτόχρονες πολλαπλές συνδέσεις στον εξυπηρετητή από διαφορετικούς χρήστες με σκοπό να προσάψουμε λειτουργικότητες παράλληλης διαχείρισης στη βάση. Ο πρώτος πίνακας που θα περιγράψουμε είναι ο πίνακας tblvariables. Αυτός ο πίνακας αποθηκεύει πληροφορίες για όλες τις μεταβλητές (state variables) οι οποίες χρησιμοποιούνται στα μοντέλα. Η πληροφορία που αποθηκεύεται είναι το πλήρες όνομα μεταβλητής και ένα μικρότερο όνομα (5 χαρακτήρες) που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε reports ή αλλού. Τα πεδία SIUnit, ConversionFactor και Offset αποθηκεύουν πληροφορίες σχετικά με τη διαδικασία μετατροπής της μεταβλητής σε μια μεταβλητή Διεθνούς Συστήματος Μονάδων (System International Unit variable). Το πεδίο Notes μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην παροχή περισσότερων πληροφοριών σχετικά με τη μεταβλητή. Ο πίνακας αυτός τέθηκε σε εφαρμογή, έτσι ώστε να συμπεριλάβει κάποιες βασικές πληροφορίες σχετικά με τις μεταβλητές που χρησιμοποιήθηκαν και για να καταστήσει ευκολότερη την επίτευξη της ανταλλαγής πληροφοριών μεταξύ των διαφόρων τύπων μοντέλων. Ο πίνακας tblmodeltypes αποθηκεύει τους τύπους των μοντέλων και ο πίνακας tblmodeltypevariables αποθηκεύει τις μεταβλητές για κάθε ένα από αυτούς τους τύπους που χρησιμοποιούνται. Ο πρώτος πίνακας περιλαμβάνει μόνο ένα πεδίο Name για το όνομα του τύπου του μοντέλου, αλλά ο πίνακας μπορεί να εμπλουτιστεί ακόμη περισσότερο έτσι ώστε να περιλαμβάνει μια περιγραφή, τους συγγραφείς του μοντέλου, στοιχεία επικοινωνίας, κλπ. Ο δεύτερος πίνακας αποθηκεύει τις μεταβλητές που χρησιμοποιεί κάθε τύπος του μοντέλου. Ο πίνακας περιλαμβάνει επίσης δύο σημαίες, Required εάν η συγκεκριμένη μεταβλητή είναι απαραίτητη για κάθε κόμβο σε μοντέλα αυτού του τύπου και Calculated για να σηματοδοτήσει ότι η μεταβλητή δεν θα πρέπει να παρέχεται, αλλά θα πρέπει να υπολογίζεται αντ αυτού. Ο τύπος υπολογισμού μπορεί επίσης να αποθηκευτεί εδώ, μόλις συμφωνηθεί μια τυποποιημένη μέθοδος υπολογισμού. Ο πίνακας tblmodels αποθηκεύει τα συγκεκριμένα στιγμιότυπα των μοντέλων στο σύστημα. Πιο συγκεκριμένα εδώ αποθηκεύονται ο τύπος μοντέλου (ModelType, που είναι συνδεμένος με το ID του πεδίου tblmodeltypes) και το όνομα του μοντέλου (ModelName). Κάθε μοντέλο έχει κόμβους οι οποίοι αποθηκεύονται στον πίνακα tblmodelnodes. Κάθε 20

27 κόμβος φέρει μία ετικέτα η οποία χαρακτηρίζει τον κόμβο σε 4 διαστάσεις: χρόνος (DateTimeStamp), X (XValue), Y (YValue) και Z (ZValue). Αυτές οι ετικέτες ορίζουν τον κόμβο στο χρόνο και στη θέση της περιοχής μελέτης αλλά επίσης είναι πολύ σημαντικό να χρησιμοποιούνται μιας και τα μοντέλα μπορεί να μην χρησιμοποιούν μία ή περισσότερες από αυτές τις ετικέτες. μοναδικό κόμβο. Κάθε κομμάτι πληροφορίας πρέπει να αντιστοιχεί σε κάποιο Αναφέρθηκε νωρίτερα ότι ο σχεδιασμός της βάσης επιτρέπει την αναθεώρηση των δεδομένων. Προτείνεται (και το σύστημα έχει σχεδιαστεί με βάση αυτή την πρόταση) ότι οι αναθεωρήσεις των δεδομένων του ίδιου μοντέλου αναφέρονται στους ίδιους κόμβους στο χώρο και το χρόνο. Αυτό σημαίνει ότι κάθε μοντέλο μπορεί να φέρει έναν άπειρο αριθμό αναθεωρήσεων σε ένα δεδομένο σύνολο κόμβων, τα οποία με τη σειρά τους μεταφέρουν διαφορετικά δεδομένα για κάθε αναθεώρηση. Έτσι μπορούμε να δηλώσουμε ότι στην ουσία κάθε μοντέλο δεν είναι τίποτα περισσότερο από ένα συγκεκριμένο σύνολο κόμβων του χωροχρόνου, όπου κάθε κόμβος χαρακτηρίζει ένα δεδομένο σύνολο μεταβλητών ανάλογα με τον τύπο του μοντέλου. Οι αναθεωρήσεις δεδομένων αποθηκεύονται στον πίνακα tblmodeldatarevisions και φέρουν την ετικέτα RevisionNumber που είναι ένας αριθμός που παράγεται με αυτόματη αύξηση για κάθε αναθεώρηση του ίδιου μοντέλου (η διαδικασία αυτή δεν εφαρμόζεται στο σύστημα βάσης δεδομένων και θα πρέπει να εφαρμοστεί στην λογική της εφαρμογής). Τέλος ο πίνακας tblmodelnodedata αποθηκεύει τα δεδομένα για κάθε μεταβλητή στο συγκεκριμένο κόμβο, για κάθε δεδομένο αναθεώρησης. Ο πίνακας αυτός χρησιμοποιεί πληροφορίες από τρεις πίνακες: το DataRevision που είναι το αναγνωριστικό της αναθεώρησης των δεδομένων στον πίνακα tblmodeldatarevisions, Node που είναι το αναγνωριστικό του κόμβου στον πίνακα tblmodelnodes και Variable που είναι το ID της μεταβλητής στον πίνακα tblvariables. Η τιμή αποθηκεύεται στο πεδίο Value και θα πρέπει πάντοτε να είναι ένας πραγματικός αριθμός. Όταν φορτώνουμε ένα μοντέλο τα δεδομένα αποθηκεύονται στη βάση δεδομένων πριν αυτά εμφανιστούν στο κύριο παράθυρο του προγράμματος. Μετά την αποθήκευση τους, μπορούν να εξαχθούν σε διάφορες μορφές. Στο σχήμα παρακάτω δείχνουμε τα δεδομένα που έχουν αποθηκευτεί στη βάση δεδομένων, μετά την φόρτωση ενός μοντέλου. 21

28 Σχήμα 1.5: Φόρτωση δεδομένων στη βάση δεδομένων Στα παρακάτω κεφάλαια δίνουμε: Την γενική περιγραφή και χρήση του ολοκληρωμένου συστήματος προσομοίωσης «Υδρομέντωρ» Την γενική περιγραφή του λογισμικού UTHMODELLER το οποίο ενοποιεί δύο λογισμικά-μοντέλα, το UTHBal και το UTHRL Την διαδικασία σύζευξης μοντέλων στον «Υδρομέντορα» 22

29 Κεφάλαιο 2 Περιγραφή του Πλαισίου Προσομοίωσης 2.1 Βασική δομή του μενού Το πλαίσιο προσομοίωσης «Υδρομέντωρ» έχει εγκατασταθεί ως ένα wrapperλογισμικό που ενσωματώνει όλες τις αντίστοιχες υδρολογικές ενότητες (επιφανειακή υδρολογία, υπόγεια υδρολογία, την ενότητα προσομοίωσης υδροφόρου ορίζοντα της λίμνης και υδατικού ισοζυγίου της λίμνης), το σύστημα αξιολόγησης της ποιότητας νερού και το λογισμικού προσομοίωσης περιβαλλοντικών φαινομένων για ρηχές λίμνες. Η μέθοδος που ακολουθήθηκε για την υλοποίηση του framework (από τεχνική άποψη) ήταν να συσταθεί μία ειδική για το λόγο αυτό εικονική μηχανή (virtual server) που μπορεί να προσπελαστεί από απόσταση. Αν και ακόμη η πολιτική διαχείρισης λογαριασμών χρηστών για αυτό τον εξυπηρετητή δεν έχει ενσωματωθεί πλήρως, έχουμε σχεδιάσει να υλοποιήσουμε μια σειρά από ορισμένες πολιτικές, έτσι ώστε όλοι οι ενδιαφερόμενοι μεμονωμένοι χρήστες αλλά και οι αρμόδιες αρχές να μπορούν να έχουν πρόσβαση στο σύστημα μετά την τελική έκδοσή του. Ωστόσο, ορισμένα ζητήματα σχετικά με τις άδειες χρήσης λογισμικού, πρέπει να επιλυθούν πριν από αυτή τη διαδικασία. Επιπλέον, η τεχνική λύση που επιλέχθηκε ήταν η χρήση ενός Windows 2008 server. Η λύση αυτή επιλέχθηκε διότι μπορούμε να εξαλείψουμε τα περισσότερα από τα προβλήματα που οφείλονται στις δικτυακές άδειες των διαφόρων λογισμικών που χρησιμοποιούνται. Το σύστημα υλοποιήθηκε στην γλώσσα προγραμματισμού C# χρησιμοποιώντας το Microsoft Visual Studio IDE. Το παρακάτω σχήμα δείχνει την οθόνη του ολοκληρωμένου πλαισίου προσομοίωσης όταν ανοίγει αρχικά και μια γενική άποψη του καμβά επεξεργασίας και του μενού επιλογών για τη διάδραση του με τα υπόλοιπα λογισμικά. 23

30 Σχήμα 2.1: Κεντρική οθόνη του συστήματος «Υδρομέντωρ» Το πλαίσιο επιτρέπει στο χρήστη να επιλέξει μία από τις τέσσερις διαφορετικές επιλογές, όπως απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα δηλαδή τις: File, Shapefile, Database και Utilities. Θα περιγράψουμε εν συντομία κάθε μία από αυτές τις περιπτώσεις όπως αυτές εμφανίζονται στα σχήματα 2.2 και 2.3: 24

31 Σχήμα 2.2: Επιλογές μενού του συστήματος «Υδρομέντωρ» (α) (β) (γ) (δ) Σχήμα 2.3: Ανάπτυξη των βασικών επιλογών μενού του συστήματος «Υδρομέντωρ» 25

32 Με την επιλογή του μενού File, ο χρήστης μπορεί να επιλέξει από το ολοκληρωμένο σύστημα να τρέξει ένα από τα λογισμικά που έχουν ενσωματωθεί. Όπως απεικονίζεται, η χρήση του ArcGIS είναι αφιερωμένη στην δημιουργία και ενοποίηση θεματικών χαρτών, το σύστημα της διαχείρισης OpenMI είναι το λογισμικό που χρησιμοποιείται για την σύζευξη των μοντέλων της επιφανειακής υδρολογίας της επιφάνειας UthBal με το μοντέλο UthRL, ενώ η σύζευξη άλλων μοντέλων γίνεται με ημι-αυτόματο τρόπο μιας και δεν υπάρχει πρόσβαση στον πηγαίο κώδικα των λογισμικών αυτών. Το GMS είναι το λογισμικό που χρησιμοποιείται για τις προσομοιώσεις υπόγειας υδρολογίας, ενώ η λογισμική ενότητα που αφορά την ποιότητα των υπογείων υδάτων γίνεται μέσω ενός module του GMS που ονομάζεται MT3DMS. Η τελευταία επιλογή είναι για το άνοιγμα του πακέτου PCLake το οποίο έχει ως front end GUI αρχεία EXCEL. Δεδομένου ότι όλες οι πληροφορίες από όλες τις ενότητες λογισμικού για τις προσομοιώσεις μετατρέπεται σε ένα έξυπνο τρόπο σε σχήμα αρχείων που μπορεί να είναι διαθέσιμο για τη δημιουργία θεματικών χαρτών, η δεύτερη επιλογή μενού ονομάζεται Shapefile. Αυτό το μενού περιέχει τη δημιουργία αρχείων τύπου shape-file, τη φόρτωση των δεδομένων για το μοντέλο UthBal και το μοντέλο UthRL που προέρχεται από ένα ειδικό ενοποιημένο λογισμικό που έχουμε πρότερα υλοποιήσει για θέματα επιφανειακής υδρολογίας και που ονομάζεται UthModeller (περιγραφή του σχεδιασμού UthModeller και αρχιτεκτονική δίνεται σε επόμενο κεφάλαιο) και τέλος, τη μετατροπή και αποθήκευση των δεδομένων σε μια βάση δεδομένων που χρησιμοποιείται για το σύνολο του συστήματος και την οποία περιγράψαμε στο πρώτο κεφάλαιο του παρόντος εγγράφου. Για το διαχείριση των δεδομένων υπάρχει διαθεσιμότητα στο χρήστη να δημιουργήσει διάφορες παραμέτρους, αλλά και να αλλάξει τους πίνακες, όταν αυτό απαιτείται. Τέλος, το μενού Utilities χρησιμοποιείται για να παρέχει διάφορες εξειδικευμένες λειτουργίες για data conversions (ιδίως στις περιπτώσεις συγχρονισμού μεταξύ εμπορικών λογισμικών ενοτήτων). Αυτό το μενού αναμένεται να εμπλουτιστεί και με άλλες λειτουργικότητες έως την τελική έκδοση του framework ή νέες εκδόσεις εφόσον αυτές υπάρξουν. 26

33 Κεφάλαιο 3 Οδηγός χρήσης του λογισμικού UTHMODELLER 3.1 Γενική Περιγραφή του UTHMODELLER Σε αυτό το κεφάλαιο θα περιγράψουμε το λογισμικό UTHMODELLER. Αυτό το λογισμικό αποτελείται από δύο ενότητες αν και είναι open-ended και έχει κατασκευαστεί για την προσομοίωση επιφανειακής υδρολογίας. Αποτελείται από το λογισμικό UTHBAL και το λογισμικό UTHRL. Στην αρχή του κεφαλαίου αυτού θα δείξουμε τις γενικές και κοινές λειτουργίες για το UTHBAL και το UTHRL και κατόπιν θα περάσουμε στην εξειδικευμένη χρήση της κάθε ενότητας. Το UTHMODELLER έχει κατασκευαστεί να ενσωματώνει κατεξοχήν μοντέλα πλήρως χωρικά κατανεμημένα (fully distributed models). Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι δεν μπορεί να διαχειριστεί και μοντέλα αδρομερή. Απλώς η ενσωμάτωση των μοντέλων αυτών γίνεται σαν να ήταν πλήρως κατανεμημένα και έχοντας ίδιες τιμές για κάθε κελί της κανάβου ανάλογα με τη μέθοδο κατανομής. Δηλαδή δεν υπάρχει εξάρτηση από το μέγεθος του κάθε κελιού. Σε περιπτώσεις που προσπαθούμε να πετύχουμε σύζευξη τέτοιων μοντέλων, τότε αυτή γίνεται μέσω του OpenMI-standard το οποίο αναλαμβάνει την διαδικασία extrapolation ή interpolation του ενός από τα δύο μοντέλα για να επιτευχθεί ο χωρικός τους συγχρονισμός. Το UTHMODELLER στηρίζεται σε τέσσερις βασικές ενότητες (software modules), καθεμία από αυτές ενσωμάτωσης, ασχολείται αντιστοίχως με: την αποθήκευση τύπου XML-αρχείων, τη βαθμονόμηση και βελτιστοποίηση των μοντέλων που ενσωματώνονται στο UTHMODELLER, την οπτικοποίηση των δεδομένων εξόδου και 27

34 την αυτοματοποιημένη μετανάστευση των μοντέλων σαν OPENMI-ενότητες προς διασύνδεση και σύζευξη με βάση το συγκεκριμένο πρότυπο. Οι ακόλουθες υπο-ενότητες επεξηγούν τα τις παραπάνω τέσσερις λειτουργίες αν και για την τελευταία λειτουργία (σύζευξη/διασύνδεση μοντέλων) αφιερώνουμε ένα ξεχωριστό κεφάλαιο στο παρόν εγχειρίδιο χρήσης. Το αρχιτεκτονικό σχήμα του UTHMODELER απεικονίζεται στο Σχήμα 3.1, και το οποίο αναλύεται περαιτέρω. Σχήμα 3.1: Αρχιτεκτονική οργάνωση του UTHMODELLER 28

35 3.1.1 Σύστημα αποθήκευσης δεδομένων Διάφορα μοντέλα που έχουν ως βάση τους στοιχεία εισόδου και εξόδου σε μορφή χρονολογικών σειρών (time series data) μπορούν να αποθηκεύονται, να ενσωματώνονται, να φορτώνονται και θα εκτελούνται χωριστά από το λογισμικό UTHMODELLER. Το σύστημα μπορεί να αποθηκεύσει δεδομένα εισόδου τα οποία είναι μορφοποιημένα σαν αρχεία απλού κειμένου ή αρχεία EXCEL. Νέα μοντέλα πρέπει να προγραμματιστούν με αυτή την φιλοσοφία στον πυρήνα τους για να καταστούν ως νέες ενότητες του UTHMODELLER δηλαδή το UTHMODELLER μπορεί να επεκταθεί μόνο για μοντέλα που στηριζονται στη φιλοσοφία χρονοσειρών εισόδου και εξόδου. Για τα μοντέλα που έχουν ήδη προγραμματιστεί, διάφορες περιπτώσεις χρήσης (USE CASES) μπορούν επίσης να αποθηκευτούν με βάση τα χωρικά χαρακτηριστικά της κάθε μελέτης (αδρομερή, ημικατανεμημένα ή πλήρως κατανεμημένα). Κάθε περιπτωσιολογική μελέτη μπορεί να αποθηκευτεί σε ένα αρχείο.ubm, το οποίο είναι ένα αρχείο με μορφή XML που περιλαμβάνει τα εξής: 1. Την προεπιλεγμένη γεωγραφική θέση για την αδρομερή λειτουργία ή τα XYZ πολύγωνα συντεταγμένων για την κατανεμημένη λειτουργία, 2. Το χρονικό βήμα των χρονοσειρών εισόδου/εξόδου (χρονική ανάλυση) της περίπτωσης χρήσης (ημερήσιο, μηνιαίο, κ.λπ.) 3. Τις κατάλληλες διαδρομές στο δίσκο του Η/Υ για τα κατάλληλα dlls που χρησιμοποιούνται και 4. Όλες οι μεταβλητές που αντιπροσωπεύουν τη σειρά δεδομένων τα οποία το σύστημα μπορεί να ανταλλάξει για σύγχρονη ανταλλαγή δεδομένων στις συζεύξεις (inter-linkable components). Αυτή η μέθοδος προσθέτει την ιδιότητα της φορητότητας (portability) των μοντέλων, καθώς, κάθε ένα μετά την μετατροπή του σε XML αρχείο μπορεί εύκολα επίσης να μετατραπεί σε μία αυτόνομη λογισμική ενότητα υπηρεσίας διαδικτύου (web service component) ή μια αποκεντρωμένη εφαρμογή υπολογιστικού πλέγματος. Όπως φαίνεται και στο παραπάνω διάγραμμα 3.1, ο σχεδιαστής μπορεί να δημιουργήσει οπτικά ένα νέο 29

36 μοντέλο, να εισάγει εύκολα μια σειρά δεδομένων του από τον αποθηκευτικό χώρο συλλογής δεδομένων και να καταδείξει τη θέση όπου βρίσκονται όλα τα απαραίτητα συστατικά για την εκτέλεσή του (.dlls, wrappers, omi αρχεία κ.λπ.) που πρέπει να συγκεντρωθούν για μια νέα προσομοίωση. Στο παρακάτω σχήμα 3.2 φαίνεται η διαδικασία ενός νέου USE-CASE για μοντέλο τύπου UTHBAL όπου ο χρήστης μπορεί να διαλέξει αδρομερή, ημι-κατανεμημένη ή πλήρως κατανεμημένη λειτουργία. Σχήμα 3.2: Δημιουργία USE-Cases στο UTHMODELLER Βαθμονόμηση, Βελτιστοποίηση και Επαλήθευση Δεδομένων Το UTHMODELLER επιτρέπει στο χρήστη να βαθμονομήσει τα εισηγμένα στο σύστημα μοντέλα και περιπτώσεις χρήσης και με δυναμικό τρόπο να διαλέξει την χρονική περίοδο βαθμονόμησης. Επί του παρόντος, μόνο η Μέθοδος Γενικευμένης Μειωμένης Κλίσης (Generalized Reduced Gradient) χρησιμοποιείται για τη βελτιστοποίηση των προγραμματισμένων μοντέλων. Για την περίπτωση ειδικότερα του UTHBAL χρησιμοποιούμε δύο προσεγγίσεις για τη βαθμονόμηση του μοντέλου. Η πρώτη είναι η ελαχιστοποίηση της συνάρτησης αποτελεσματικότητας με την εφαρμογή του αλγόριθμου Simplex Downhill και το μοντέλο αποδοτικότητας Nash-Sutcliffe, το οποίο περικλείει τις παρατηρούμενες και τις υπολογιζόμενες τιμές της επιφανειακής απορροής. Η δεύτερη προσέγγιση είναι ο 30

37 υπολογισμός της διαφοράς του όγκου της ποσοστιαίας απορροής χρησιμοποιώντας τις ίδιες μεταβλητές όπως φαίνεται στις παρακάτω μαθηματικές σχέσεις: Eff 1 n i 1 n Qobs i Qobs i 1 Qobs Qsim i i 2 2 DV % n i i 1 i 1 n i 1 n Qsim Qobsi 100% Qobs Είναι στην πρόθεσή μας να ενσωματώσουμε και άλλες μεθόδους βελτιστοποίησης και βαθμονόμησης. Αυτό θα επιτευχθεί με την ενσωμάτωση ενός προγραμματιστικού εργαλείου (SDK) κατάλληλου για γραμμικές και μη-γραμμικές βελτιστοποιήσεις που αφορούν δεδομένα σε μορφή χρονοσειρών και ειδικότερα για περιπτώσεις εμπειρικών μοντέλων. Μια από τις γνωστότερες τέτοιες βιβλιοθήκες λογισμικού είναι και η βιβλιοθήκη Solver Οπτικοποίηση των δεδομένων εισόδου και εξόδου Το λογισμικό UTHMODELER εφαρμόζει μια ειδική μέθοδο απεικόνισης των δεδομένων εισόδου και εξόδου που υλοποιείται με τη χρήση της τεχνολογίας Crystal Reports για το Visual Studio IDE και της βιβλιοθήκης γραφικών ZedGraph. Δεδομένα μπορούν να απεικονιστούν αρχικά σε μορφή πινάκων ή σε μορφή αρχείων EXCEL με τη δυνατότητα να ταξινομηθούν σύμφωνα με πολλά κριτήρια. Η γραφική απεικόνιση των δεδομένων γίνεται σε ιστογράμματα ζητώντας από το χρήστη να επιλέξει με δυναμικό τρόπο ποιες ποσότητες επιθυμεί να απεικονίσει (παράδειγμα εμφάνισης ιστογραμμάτων φαίνεται στο Σχήμα 3.3 και εμφάνισης πινάκων δεδομένων στο σχήμα 3.4). i 31

38 ω ρ έν τ Υδ ρο μ C op yr ig ht - Σχήμα 3.3: Δημιουργία γραφικών στο UTHMODELLER Σχήμα 3.4: Εμφάνιση δεδομένων σε πίνακες στο UTHMODELLER 32

39 Αξίζει επίσης να προσθέσουμε ότι στα παραπάνω διαγράμματα το σύστημα επιτρέπει την επεξεργασίας τους όπως για παράδειγμα το zooming και την αποθήκευση των γραφημάτων σε διάφορες μορφές (jpg, pdf, κ.λπ.). Τα αποθηκευμένα γραφήματα είναι στενά συνδεδεμένα με τις επιμέρους μελέτες περιπτώσεων μιας και αποθηκεύονται στον ίδιο χώρο όπως και τα αρχεία.ubm έτσι ώστε να αποτελούν αναπόσπαστο κομμάτι της φορητότητας της κάθε USE CASE. 3.2 Μετανάστευση μοντέλων στο standard του OpenMI μέσω του UTHMODELLER. Η παροχή της ανταλλαγής δεδομένων στο λογισμικό UTHMODELER βασίζεται στο πρότυπο OpenMI. Ωστόσο, έχουμε επεκτείνει εν λόγω μεθοδολογία με τη δημιουργία μιας σύνδεσης μεταδεδομένων των μοντέλων πρακτικά προς τον επεξεργαστή του OpenMI μέσω της χρήσης των ubm αρχείων. Για κάθε μοντέλο το οποίο έχει μεταναστευτεί στην τεχνολογία OpenMI (ονομάζονται OpenMI-compliant models) και για κάθε προσομοίωση, η τοποθεσία αυτού του αρχείου.ubm προσφέρεται στο IEngine component του OpenMI ως μία νέα παράμετρος στο αρχείο διαμόρφωσης του OpenMI (.omi file). Δεδομένου ότι τα αρχεία προδήλωσης (manifest files) του OpenMI πρέπει να έχουν πρόσβαση στις κλάσεις του μοντέλου για όλους τους κόμβους απόκτησης δεδομένων του μοντέλου, δεν υπάρχει καμία ανάγκη για την κυκλοφορία των δεδομένων. Με τη μέθοδο αυτή, κάθε μοντέλο γίνεται ένα μαύρο κουτί που φέρει τον δικό του υπολογιστικό πυρήνα (δηλαδή τον δικό του driver) σε ένα αρχείο dll. Ομοίως, σε κάθε περίπτωση φέρει επίσης τα δεδομένα του σε ένα αντίστοιχο αρχείο XML. Το αποτέλεσμα είναι ότι, κάθε χρήστης έχει τη δυνατότητα να εξάγει μια μελέτη περίπτωσης σε ένα αρχείο OMI σε κάποιο σταθμό εργασίας και να τρέξει την παραγόμενη προσομοίωση OpenMI σε ένα άλλο. Η διαδικασία της μετανάστευσης επιτυγχάνεται με απλό τρόπο αντιγράφοντας τις απαραίτητες βιβλιοθήκες από το αποθηκεμένο κατάλογο του μοντέλου στον φάκελο όπου θα γίνει η μετανάστευση. Ένα άλλο φιλικό προς το χρήστη χαρακτηριστικό του UTHMODELLER είναι η αυτόματη κατασκευή του αρχείου OMI για κάθε μελέτη περίπτωσης. Αυτό επιτυγχάνεται με την 33

40 επεξεργασία ενός scripting αρχείου που αφορά τις τυπικές πληροφορίες τύπου XML, συμπεριλαμβανομένων των θέσεων της ενότητας IEngine, LinkableEngine και της LinkableComponent της εφαρμογής. Προφανώς αυτά τα στοιχεία εξαρτώνται από το μοντέλο και πρέπει να προγραμματιστούν για κάθε νέο μοντέλο που πρέπει να μεταναστεύσει στο OpenMI. Προσθέσαμε στις λειτουργικές απαιτήσεις του πλαισίου την ικανότητα του χρήστη να επιλέξει τις μεταβλητές ενδιαφέροντος από κάθε μοντέλο που θα είναι διαθέσιμες στην ανταλλαγής δεδομένων μέσω του OpenMI. Για τα μοντέλα που έχουν ήδη προγραμματιστεί από μας (UTHBAL, UTHRL) η αυτοματοποίηση είναι πρακτική γιατί βοηθά το χρήστη δείχνοντας όλες τις μεταβλητές των δεδομένων που παράγονται ενδιάμεσα στους υπολογισμούς. Αυτό λύνεται με την αποθήκευση των ονομάτων των μεταβλητών σε ένα δυαδικό αρχείο (που ονομάζεται UTHMODELER.ubm) στον ίδιο κατάλογο με το αρχείο OMI. Αυτό το αρχείο πρέπει να είναι παρόν, έτσι ώστε, οι drivers των μοντέλων για ανταλλαγή δεδομένων, (δηλαδή οι ενότητες UthBalModelOMIEngine και UthRLModelOMIEngine) να γνωρίζουν ποια δεδομένα χρονοσειρών μπορούν να ανταλλαγούν. Το OpenMI SDK παρέχει μια προκατασκευασμένη κλάση (template C# class) που ονομάζεται IEngine η οποία χρησιμοποιείται σαν κλάση-διεπαφή (interface class) του κάθε μοντέλου του driver καθιστώντας την έτοιμη για την ανταλλαγή δεδομένων. Από την άλλη πλευρά, όλες αυτές οι υπο-ενότητες λογισμικού του driver-σύζευξης πρέπει να έχουν πρόσβαση στην διαδρομή του αντίστοιχου αρχείου ubm. Αξίζει να σημειωθεί επίσης ότι, δεν μπορούμε να δημιουργήσουμε μόνο τις υπο-ενότητες του driver-σύζευξης για τα μοντέλα χωρίς το αντίστοιχο αρχείο ubm δεδομένου ότι, η προσομοίωση δεν μπορεί να τρέξει χωρίς δεδομένα. Αυτές οι υπο-ενότητες του driver-σύζευξης διαχειρίζονται όλη την επικοινωνία των μοντέλων στο OpenMI μέσω των διαδικασιών της διεπαφής IEngine. Ειδικότερα, ο χρονικός ορίζοντας εκτέλεσης των μοντέλων ορίζεται ως μια μεταβλητή ITimeSpan (μεταβλητή αναπαράστασης χρονικής περιόδου εκτέλεσης μοντέλου στο OpenMI) η οποία το οποίο επεκτείνεται από την πρώτη ημέρα του μήνα στον πρώτο κόμβο προς την πρώτη ημέρα του μήνα του τελευταίου κόμβου των μοντέλων. Ο πίνακας των δεδομένων εξόδου από την ανταλλαγή δεδομένων OutputExchangeItems συμπληρώνεται σύμφωνα με το προαναφερθέν δυαδικό αρχείο, ενώ οι περιγραφές του μοντέλου (δίνονται από τη χρήση 34

41 της μεθόδου GetModelDescription) εμφανίζουν το όνομα των μοντέλων. Επίσης η μέθοδος GetValues έχει προγραμματιστεί να χρησιμοποιεί μία άλλη μέθοδο του UTHMODELLER η οποία διαβάζει την τιμή μιας μεταβλητής από ένα συγκεκριμένο κόμβο μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή και την μεταφέρει στο συνδεόμενο μοντέλο τοποθετώντας κατάλληλα σαν τιμή εισόδου του δεύτερου μοντέλου για τον αντίστοιχο κόμβο και την αντίστοιχη χρονική στιγμή. 35

42 36

43 Κεφάλαιο 4 Οδηγός Χρήσης του Μοντέλου UTHBAL 4.1 Εισαγωγή Το UthBal είναι ένα ολοκληρωμένο μοντέλο επιφανειακής υδρολογίας το οποίο έχει υλοποιηθεί για το λειτουργικό σύστημα των Windows και έχει σχεδιαστεί να χρησιμοποιεί όλες τις λειτουργίες της πλατφόρμας.net της Microsoft. Η εφαρμογή υποστηρίζει την ανταλλαγή δεδομένων (σύζευξη μοντέλων) μέσω του προτύπου OpenMI. Επίσης, υποστηρίζει την εισαγωγή αρχείων δεδομένων σε διάφορες μορφές και επιτρέπει την εξαγωγή του μοντέλου σε δημοφιλείς μορφοποιήσεις, συμπεριλαμβανομένου του προτύπου OpenMI. Εκτός από αυτές τις λειτουργίες, που επιτρέπουν την άμεση είσοδο των δεδομένων από το χρήστη του συστήματος, διαμέσω της εφαρμογής GUI, ο χρήστης μπορεί να δει σχεδιαγράμματα των δεδομένων, όπως αυτά είναι αποθηκευμένα στο μοντέλο. Για τη σωστή λειτουργία του μοντέλου UthBal είναι απαραίτητη η εγκατάσταση v1.2 του OpenMI έτσι ώστε να εκτελούνται όλες οι επικοινωνίες του μοντέλου από και προς το OpenMI. Το UthBal προσφέρει στο χρήστη μια απλή γραφική διεπαφή με εύκολο στη χρήση μενού που δίνει πρόσβαση στις λειτουργίες του προγράμματος. Το κύριο μενού αποτελείται από τρεις επιλογές: 1. Την επιλογή File που περιέχει τις δυνατότητες ανοίγματος ή αποθήκευσης αρχείων ubm (UthBal Model), και δίνει πρόσβαση σε εξωτερικές εφαρμογές / συστήματα, 2. Την επιλογή Model που περιέχει όλες τις διαδικασίες για τη διαχείριση και επεξεργασία των μοντέλων στο πρόγραμμα, και, τέλος, 37

44 3. Την επιλογή Reports που περιέχει τις λειτουργίες του προγράμματος εκτύπωσης. Σχήμα 4.1: Η χρήση του UthBal Στο παραπάνω σχήμα φαίνεται η διαδικασία ανοίγματος περιπτώσεων χρήσης του μοντέλου UTHBAL Δημιουργία περίπτωσης μελέτης του μοντέλου UthBal Για να δημιουργήσετε ένα πρότυπο παράδειγμα, απλά επιλέξτε την επιλογή Model / New Model από το μενού που εμφανίζει τη σχετική φόρμα, όπου μπορούμε να δώσουμε το όνομα του μοντέλου, τη χρονική μονάδα του χρόνου στον οποίο αποθηκεύονται οι χρονοσειρές και το είδος του μοντέλου μιας και το UthBal λειτουργεί με τις ακόλουθες τρεις λειτουργίες (βλέπε σχήμα 4.2): Αδρομερές (Lumped): Μοντέλο του οποίου τα στοιχεία δεν περιέχουν κανένα πρόσθετο γεωγραφικών πληροφοριών (δηλαδή έχουν μια ενιαία τιμή για κάθε ποσότητα και για όλη την περιοχή μελέτης σε κάποια χρονική στιγμή). 38

45 Ημι-Κατανεμημένο (Semi-Distributed): Μοντέλο των οποίων τα δεδομένα κατανέμονται με διαφορετικές τιμές στις μεταβλητές ενδιαφέροντος μεταξύ των διαφόρων κόμβων, αλλά με δύο πιθανές διακυμάνσεις στις παραμέτρους του μοντέλου (για παράδειγμα για περιοχές υψηλού και χαμηλού υψομέτρου οι κατανεμημένες τιμές μεταβλητών θα είναι τιμές XYZ με δύο z-τιμές, που χωρίζουν περιοχές υψηλού και χαμηλού υψόμετρου). Πλήρως κατανεμημένο (Fully Distributed): Μοντέλο των οποίων τα δεδομένα περιέχουν γεωγραφικές πληροφορίες και επιτρέπουν διαφορετικές τιμές XYZ για τους κόμβους στην υπό μελέτη περιοχή. Σχήμα 4.2: Οι επιλογές τύπου μοντέλων στο UTHBAL. 4.2 Εισαγωγή δεδομένων στο UthBal Για την εισαγωγή δεδομένων στο μοντέλο, που επιτρέπουμε δύο διαδικασίες, την αυτόματη εισαγωγή και την άμεση είσοδο manually. Η δεύτερη γίνεται χειροκίνητα από τον χρήστη από το μενού επιλογών εισαγωγής δεδομένων μοντέλων. Η πρώτη είναι πιο 39

46 γρήγορη αλλά περισσότερο περίπλοκη και επιτρέπει την καταχώρηση δεδομένων για το μοντέλο από διαφορετικές πηγές εισόδου ανάλογα με τον τύπο του μοντέλου. 4.3 Αδρομερής περίπτωση (Lumped Case) Σε αυτή την περίπτωση τα δεδομένα είναι αποθηκευμένα σε ένα αρχείο τύπου EXCEL του οποίου παράδειγμα φαίνεται στο παρακάτω σχήμα 4.3: Σχήμα 4.3: Input EXCEL File για την περίπτωση αδρομερούς μελέτης περίπτωσης για το UthBal. 4.4 Ημι-Κατανεμημένη περίπτωση (Semi-Distributed Case) Στην περίπτωση αυτή, τα δεδομένα εξακολουθούν να φορτώνονται από ένα αρχείο Excel παρόμοιο με αυτό στο σχήμα 4.3, αλλά τώρα το UthBal χρειάζεται ένα αρχείο από το οποίο θα πρέπει να ληφθούν όλες οι συντεταγμένες που αφορούν τη γεωδεσία του μοντέλου. Υπενθυμίζεται εδώ ότι η ημι-κατανεμημένη περίπτωση επιτρέπει την αλλαγή των παραμέτρων του μοντέλου, ανάλογα με την τιμή της Ζ-συντεταγμένης για κάθε κόμβο, επομένως οι συντεταγμένες είναι πολύ σημαντικές εδώ, ενώ το αντίστοιχο αρχείο Excel πρέπει να περιέχει δύο διαφορετικά σύνολα τιμών για όλες τις παραμέτρους του μοντέλου. (Βλέπε Σχήμα 4.4) 40

47 Σχήμα 4.4: Φόρτωση ημι-κατανεμημένων και πλήρως κατανεμημένων δεδομένων στο UthBal. 4.5 Πλήρως Κατανεμημένη Περίπτωση (Fully Distributed Case) Σε αυτή την τελευταία περίπτωση θα πρέπει να δοθεί τρία κομμάτια πληροφοριών (βλέπε σχήμα 4.4). Είναι απαραίτητο ότι το αρχείο με τις συντεταγμένες και το αρχείο με τις παραμέτρους του μοντέλου πρέπει να είναι παρόντα, διότι το λογισμικό υποθέτει ότι υπάρχει το αντίστοιχο αρχείο από το λογισμικό Modflow που περιέχει τα όρια και τις συντεταγμένες έτσι ώστε τα δύο μοντέλα να μπορούν να συγχρονιστούν χωρικά για τη μελλοντική ανταλλαγή δεδομένων. Τα αρχεία αυτά πρέπει να περιέχουν τις τιμές για τις μεταβλητές εισόδου του μοντέλου για κάθε γεωγραφικό σημείο σε ένα αρχείο που δείχνει τις περιόδους παρατήρησης. 4.6 Άνοιγμα Στιγμιότυπου Μοντέλου και Αποθήκευση Αφού ολοκληρωθεί η διαδικασία της εισαγωγής δεδομένων το UthBal υπολογίζει όλες τις ενδιάμεσες ποσότητες που επιτρέπουν την αποθήκευση των δεδομένων σε έναν τύπο αρχείου XML με επέκταση.ubm. Οι σχετικές επιλογές των χρηστών μπορούν να βρεθούν στο μενού File Save Model και File Open Model για το άνοιγμα ήδη αποθηκευμένων στιγμιοτύπων του μοντέλου UthBal. 41

48 4.7 Data Export UthBal προσφέρει τη δυνατότητα στο χρήστη να εξάγει τα δεδομένα σε διαφορετικές μορφές, έτσι ώστε να καταστεί δυνατή η χρήση αυτών από διαφορετικά κομμάτια του λογισμικού. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί από την επιλογή του μενού Model Export όπου ο χρήστης μπορεί να επιλέξει την εξαγωγή των δεδομένων του μοντέλου σε ένα OpenMI- Compliant πρότυπο, σε μορφή αρχείου TXT ή να δημιουργήσει ένα data grid δεδομένων για την οπτική παρουσίασή τους. Δεδομένου ότι η εξαγωγή των δεδομένων σε μορφή TXT είναι προφανής, θα σχολιάσουμε την τρίτη επιλογή, όπου ο χρήστης μπορεί να επιλέξει τα δεδομένα που θα εξάγει από ένα παράθυρο που φαίνεται στο Σχήμα 4.5, όπου βλέπετε ότι οποιοσδήποτε συνδυασμός των ενδιάμεσων ποσοτήτων μπορούν να εξαχθούν και να προβληθούν σε ένα γράφημα. Σχήμα 4.5: Εξαγωγή δεδομένων από το UthBal σε ένα grid-view. 4.8 Δυνατότητες Γραφικών Το UthBal υποστηρίζει τη γραφική απεικόνιση των δεδομένων εξόδου δημιουργώντας ένα συνδυασμό γραφημάτων μέσω της διαδικασίας η οποία εξηγήθηκε παραπάνω. Ένα 42

49 παράδειγμα τέτοιου γραφήματος φαίνεται στο σχήμα 4.6 για την χρονοσειρά του Deep Infiltration. Σχήμα 4.6: Η διαδικασία οπτικοποίησης δεδομένων σε γραφήματα χρονοσειρών 4.9 Επιπρόσθετες Δυνατότητες Βαθμονόμηση Αφού τα δεδομένα εισαχθούν σε ένα στιγμιότυπο μοντέλου, τότε μπορούν να βαθμονομηθούν για τη βελτιστοποίηση των εννοιολογικών παραμέτρων (conceptual parameters). Η διαδικασία αυτή φαίνεται στο Σχήμα 4.7. Η μέθοδος βαθμονόμησης που χρησιμοποιείται είναι η Γενικευμένη Μειωμένη Κλίση (Generalized Reduced Gradient, GRG2). Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούμε το λογισμικό Solver. 43

50 Σχήμα 4.7: Διαδικασία Βαθμονόμησης ADF2TXT Η λειτουργία (utility) ADF2TXT είναι μια απλή λειτουργία του UthBal η οποία επιτρέπει την μετατροπή των αρχείων τύπου ADF (ESRI Binary Grid format) σε αντίστοιχα αρχεία ASCII (Text Files) για εύκολη ανάγνωση και περαιτέρω επεξεργασία. 44

51 Κεφάλαιο 5 Η χρήση του μοντέλου UthRL Η διαδικασία χειρισμού και διαχείρισης του μοντέλου UthRL είναι σχεδόν ταυτόσημη με την διαδικασία της περιπτώσεως του μοντέλου UthBal. Και οι δύο λειτουργίες γίνονται μέσω του λογισμικού UTHMODELER. Σε αυτό το μέρος του εγχειριδίου δείχνουμε τη διαδικασία δημιουργίας περιπτώσεων μελέτης του μοντέλου UTHRL, την αποθήκευση των δεδομένων και τη δημιουργία του OpenMI-Compliant model. Σημειώστε ότι το UthRl προσφέρει στο χρήστη την ίδια απλή γραφική διεπαφή με εύκολο στη χρήση μενού που παρέχει πρόσβαση στις λειτουργίες του. Το κύριο μενού αποτελείται από τις ίδιες τρεις επιλογές του UTHMODELER: Το File menu που περιέχει τις δυνατότητες ανοίγματος και αποθήκευσης αρχείων με επέκταση.urlm (UthRL Model), και δίνει πρόσβαση σε εξωτερικές εφαρμογές, Το Model menu που περιέχει όλες τις διαδικασίες για την διαχείριση και την επεξεργασία μελετών περίπτωσης (USE CASE) και τέλος Το Reports menu που περιέχει τις δυνατότητες εκτύπωσης reports. 5.1 Δημιουργία στιγμιοτύπων του μοντέλου UthRL Για να δημιουργήσουμε ένα στιγμιότυπο του μοντέλου απλώς επιλέγουμε Model New Model από το μενού του UTHMODELLER το οποίο δείχνει και τη σχετική φόρμα, επιλέγουμε το όνομα αυτού του στιγμιότυπου καθώς επίσης και το χρονικό βήμα δημιουργίας χρονοσειρών. Θα πρέπει να σημειώσουμε εδώ ότι το μοντέλο UTHRL δουλεύει μόνο για την περίπτωση των αδρομερών στιγμιοτύπων (lumped mode). Δείτε το σχετικό σχήμα 5.1: 45

52 Σχήμα 5.1: Δημιουργία ένός στιγμιοτύπου μοντέλου τύπου UthRL. 5.2 Εισαγωγή Δεδομένων στο UthRL Προς το παρόν στα στιγμιότυπα μοντέλων τύπου UthRL μπορούμε να εισάγουμε δεδομένα μόνο με τη μορφή αρχείων τύπου EXCEL. Αυτά τα αρχεία EXCEL, δυστυχώς, πρέπει να έχει μια συγκεκριμένη δομή για τον αριθμό και τη θέση της στήλης και των σχετικών οντοτήτων και state variables. Στο μέλλον προτιθέμεθα να συμπληρώσουμε αυτή τη λειτουργία και με άλλες που θα παρέχουν εναλλακτικές μεθόδους για την επιλογή και την εισαγωγή δεδομένων. Η δομή των δεδομένων για το UTHRL σε ένα EXCEL φύλλο δίνεται στο ακόλουθο σχήμα

53 Σχήμα 5.2: Δομή δεδομένων του UthRL σε μορφή EXCEL. 47

54 5.3 Άνοιγμα Στιγμιοτύπων Μοντέλων και Αποθήκευση Αφού ολοκληρωθεί η διαδικασία της εισαγωγής δεδομένων, το UthRL υπολογίζει όλες τις ενδιάμεσες ποσότητες που επιτρέπουν την αποθήκευση των δεδομένων σε έναν τύπο αρχείου XML με επέκταση.urlm. Οι σχετικές επιλογές των χρηστών μπορούν να βρεθούν στο μενού File Save Model και File Open Model για το άνοιγμα στιγμιοτύπων που είναι ήδη αποθηκευμένα. 5.4 Data Export Το UthRL προσφέρει τη δυνατότητα εξαγωγής δεδομένων σε διαφορετικές μορφές, έτσι ώστε να καταστεί δυνατό η χρήση τους από διαφορετικά κομμάτια του λογισμικού. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί από την επιλογή στο μενού Model Export όπου ο χρήστης μπορεί να επιλέξει την εξαγωγή των δεδομένων του μοντέλου σε ένα OpenMI-Compliant πρότυπο, μια μορφή αρχείου TXT ή να δημιουργήσει ένα grid view για περαιτέρω προβολή και απεικόνιση των δεδομένων παρόμοια με την περίπτωση του UthBal. 48

55 Κεφάλαιο 6 Οδηγός Χρήσης του Μοντέλου GMS 6.1 Εισαγωγή Το Groundwater Modeling System είναι ένα περιεκτικότατο γραφικό περιβάλλον στο οποίο πραγματοποιούνται προσομοιώσεις υπόγειων ροών. Πρόκειται για ένα πλήρες σύστημα διαφορετικών τύπων μαθηματικών μοντέλων (δισδιάστατων ή τρισδιάστατων μοντέλων πεπερασμένων διαφορών). Αναφέρονται τα MODFLOW 2000, MODPATH, MT3DMS/RT3D, SEAM3D, ART3D, UTCHEM, FEMWATER, PEST, UCODE, MODAEM and SEEP2D. Τα μοντέλα αυτά χωρίζονται στις παρακάτω ενότητες σύμφωνα με τις λειτουργίες τους: Δισδιάστατη ροή Το MODAEM, βασιζόμενο σε αναλυτικές μεθόδους, προσομοιώνει εύκολα και γρήγορα προβλήματα δισδιάστατης ροής. Το SEEP2D, βασιζόμενο στα πεπερασμένα στοιχεία, προσομοιώνει τη δισδιάστατη διαρροή, π.χ από φράγματα, από αναχώματα κ.α Τρισδιάστατη ροή Το MODFLOW 2000, βασιζόμενο στις πεπερασμένες διαφορές, προσομοιώνει τη ροή του υπόγειου νερού στην κορεσμένη ζώνη. Το FEMWATER, βασιζόμενο στα πεπερασμένα στοιχεία, προσομοιώνει τη ροή του υπόγειου νερού στην κορεσμένη και στην ακόρεστη ζώνη. Μεταφορά ρύπανσης 49

56 Το ART3D, βασιζόμενο σε αναλυτικές μεθόδους, προσομοιώνει απλά δισδιάστατα προβλήματα. Το MT3DMS/RT3D, ένα τρισδιάστατο μοντέλο μεταφοράς των ρύπων το οποίο προσομοιώνει τη μεταφορά, τη διάχυση, την ανάμειξη και τις χημικές διεργασίες των διαλυμένων συστατικών του υπόγειου νερού. Αφιερώνεται ξεχωριστό εγχειρίδιο χρήσης για αυτό. Τα MODPATH ή το FEMWATER, βασιζόμενα στα πεπερασμένα στοιχεία, προσομοιώνουν απλά τρισδιάστατα προβλήματα μεταφοράς. Τα RT3D ή SEAM3D, βασιζόμενα στις πεπερασμένες διαφορές, προσομοιώνουν πολύπλοκα τρισδιάστατα προβλήματα μεταφοράς Το UTCHEM, βασιζόμενο στις πεπερασμένες διαφορές, προσομοιώνει τρισδιάστατα προβλήματα μεταφοράς διαφορετικών φάσεων και στρωμάτων. Μοντέλα ρύθμισης και παραμετροποίησης PEST και UCODE. Τα προηγούμενα αλληλοϋποστηρίζονται και καθένα παρέχει τη δυνατότητα να γίνεται κοινή χρήση της ίδιας πληροφορίας από διαφορετικά μοντέλα και διαφορετικούς τύπους δεδομένων. Τα παρεχόμενα εργαλεία των μοντέλων εκτελούν διαφορετικές λειτουργίες, οι βασικότερες των οποίων είναι ο χαρακτηρισμός της θέσης, η κατασκευή του εννοιολογικού μοντέλου, η βαθμονόμηση, η δημιουργία του καννάβου, η τελική επεξεργασία και η αναπαράσταση. Σε ένα γραφικό περιβάλλον όπως αυτό του GMS 9.0, ο χρήστης έχει τη δυνατότητα, μέσω της απλής επιλογής ενός σημείου (κελιού) ή συνόλου σημείων, να εισάγει ή / και να τροποποιεί υδρογεωλογικά χαρακτηριστικά και οριακές συνθήκες στα κατάλληλα πεδία των παραθύρων διαλόγου. Τα εκάστοτε δεδομένα είτε εισάγονται ως εγγραφές, είτε εισάγονται ως σειρές δεδομένων τυχαίων σημείων που «διαβάζονται» από το χρησιμοποιούμενο πρόγραμμα. Τα εξαγόμενα, τέλος, αποτελέσματα είναι γενικευμένα με τέτοιο τρόπο από το GMS, ώστε ο χρήστης να έχει στη διάθεσή του πλήθος επιλογών (μορφών αποτελεσμάτων) προκειμένου να συνδέει το προς επίλυση κάθε φορά πρόβλημα με την αντίστοιχη γραφική απεικόνιση της λύσης. 50

57 6.2 Ο Κώδικας Modflow Για την προσομοίωση της υδροδυναμικής κατάστασης των υδροφορέων χρησιμοποιείται από το εν λόγω πρόγραμμα ο κώδικας Modflow (Modular three dimensional finite difference ground water flow model) της Αμερικανικής Υπηρεσίας Γεωλογικών Ερευνών (U.S.G.S.), Το πρόγραμμα στηρίζεται στην αριθμητική επίλυση μιας κύριας διαφορικής εξίσωσης, η οποία προκύπτει από την εφαρμογή της εξίσωσης διατήρησης της μάζας και του νόμου του Darcy. Πρόκειται για ένα μοντέλο πεπερασμένων διαφορών με επίλυση των εξισώσεων στο κέντρο των κελιών του καννάβου. Εφαρμόζεται τόσο σε μόνιμα, όσο και σε μη μόνιμα προβλήματα ροής και υπολογίζει τις μεταβολές του φορτίου στα σημεία πεδίου σε όλη τη διάρκεια του χρόνου για ομογενή ετερογενή, ισότροπο ή ανισότροπο υδροφορέα. Επίσης έχει τη δυνατότητα προσομοίωσης μεγάλου αριθμού πηγαδιών, της κατείσδυσης, της επίδρασης στραγγιστηριών/ντραίνων και ποταμών και λιμνών κ.α όπως θα παρουσιαστούν παρακάτω. Εκτενής αναφορά του μαθηματικού υποβάθρου και του τρόπου επίλυσης έχει γίνει σε προηγούμενο παραδοτέο. 6.3 Ο καθορισμός των οριακών συνθηκών Στο MODFLOW, για τις ανάγκες της προσομοίωσης των οριακών συνθηκών του εκάστοτε προβλήματος, τα κελιά που χρησιμοποιούνται για το σκοπό αυτό κατατάσσονται στις ακόλουθες κατηγορίες: 51

58 a. Κελιά σταθερού φορτίου, όπου το υδραυλικό φορτίο καθορίζεται εκ των προτέρων και παραμένει σταθερό σε όλα τα βήματα της προσομοίωσης. Προσομοιώνονται με το πακέτο Specified Head ή Specified Flow. b. Ανενεργά ή αδιαπέρατα κελιά, στα οποία η ροή δεν επιτρέπεται από ή προς αυτά καθ όλη τη διάρκεια της προσομοίωσης. Δε δέχονται καμία προσομοίωση και αφήνονται ως απλές γραμμές. c. Κελιά μεταβλητού φορτίου. Είναι όλα τα υπόλοιπα, στα οποία τα φορτία δεν καθορίζονται, αλλά μεταβάλλονται κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης. Προσομοιώνονται με τo πακέτο General Head. Οι οριακές συνθήκες ενός προβλήματος προσεγγίζονται μόνο από κελιά σταθερού ή μεταβλητού φορτίου και ανενεργά ή αδιαπέραστα (Σχήμα 6.1). Τα πρώτα μπορεί να προσομοιώνουν την επικοινωνία του υδροφορέα με επιφανειακούς πόρους (όπως λίμνες ή ποτάμια), ενώ τα δεύτερα κελιά τα έξω όρια του υδροφορέα ή τα αδιαπέραστα όριά του. Όπου υπάρχουν όρια σταθερής εισροής ή μεταβαλλόμενης με το φορτίο μπορούν να προσομοιωθούν ως εξωτερικές πηγές ή ως συνδυασμός αδιαπέραστων κελιών και εξωτερικής πηγής. Στο αμέσως επόμενο σχήμα παρουσιάζεται η διακριτοποίηση ενός υποθετικού υδροφορέα με τις οριακές του συνθήκες. 52

59 Σχήμα 6.1: Τύποι κελιών και προσομοίωση οριακών συνθηκών. 6.4 Πακέτα υποστήριξης του MODFLOW Στο Modflow εκτός από το κεντρικό πρόγραμμα περιλαμβάνεται και μια σειρά από ανεξάρτητα υποπρογράμματα (packages). Tα υποπρογράμματα συνίστανται από υπορουτίνες (modules). H κάθε υπορουτίνα επιτελεί συγκεκριμένους υπολογισμούς. Με απλά λόγια τα modules έχουν ομαδοποιηθεί με τη μορφή «πακέτων» και κάθε πακέτο είναι μια ομάδα από modules, που σχετίζεται με μια φάση της προσομοίωσης. Κατά το τρέξιμο του προγράμματος χρησιμοποιούνται μόνον εκείνα από τα προσφερόμενα πακέτα, τα οποία είναι απαραίτητα για τη συγκεκριμένη περίπτωση προσομοίωσης. Τα κυριότερα υποπρογράμματα (packages) είναι τα εξής: Lake package 53

60 Basic package BCF2 (block centered flow) package River package ή Stream package Well package Recharge package Drain package Evapotranspiration package General-head package Specified head package SIP solution package SSOR solution package PCG2 solution package Output control package Μια γρήγορη παρουσίαση αυτών γίνεται παρακάτω : Lake Package (LAK3) Το πακέτο αυτό χρησιμοποιείται από το Modflow για να προσομοιώνει την υδραυλική επικοινωνία μεταξύ ταμιευτήρα και υδροφορέα. Αφιερώνεται ξεχωριστό εγχειρίδιο χρήσης για αυτό. 54

61 6.4.2 Βασικό πακέτο (Basic Package, BAS) Τα δεδομένα που εισάγονται στο βασικό πακέτο αφορούν: τον αριθμό των γραμμών και στηλών τον αριθμό των υδροφόρων στρωμάτων τη χρονική περίοδο προσομοίωσης και το βήμα κάθε περιόδου τον καθορισμό των μονάδων μέτρησης τις οριακές συνθήκες σε κάθε κόμβο του καννάβου Ως αρχική συνθήκη εισάγεται η πιεζομετρία στην αρχή της χρονικής περιόδου, που προέρχεται από μετρήσεις πεδίου Block-Centered Flow Package (BCF) Στο πακέτο αυτό εισάγονται πληροφορίες που αφορούν: τον τύπο του υδροφορεα (ελεύθερος, υπό πίεση, ημιελεύθερος) τις συνθήκες ροής (μόνιμη ή μη μόνιμη κατάσταση ροής) τις διαστάσεις των κυψελίδων κατά τη διεύθυνση των αξόνων x και y τις συνιστώσες της υδραυλικής αγωγιμότητας για τους ελεύθερους υδροφόρους ορίζοντες ή της μεταβιβαστικότητας για τους υπό πίεση υδροφόρους ορίζοντες τον συντελεστή αποθηκευτικότητας ή το ενεργό πορώδες του μοντέλου. Απαραίτητη προϋπόθεση είναι κάθε κόμβος να εντοπίζεται στο κέντρο κάθε κελιού 55

62 6.4.4 Υδατορεύματα (Rivers, RIV) Το πακέτο αυτό προσομοιώνει τη ροή νερού μεταξύ υδατορρεύματος (ποταμού, λίμνης) και υδροφορέα. Τα υδατορεύματα τροφοδοτούν τον υδροφορεα ή τροφοδοτούνται από αυτόν ανάλογα με την υδραυλική κλίση μεταξύ του επιφανειακού υδάτινου σώματος και του υδροφορέα. Το πακέτο Rivers απαιτεί τις παρακάτω πληροφορίες για κάθε κυψελίδα που περιέχει όριο ποταμού: Το υψόμετρο της στάθμης του υδατορεύματος, το οποίο μπορεί να αλλάζει με το χρόνο Το υψόμετρο του πυθμένα του υδατορεύματος (υψόμετρο κοίτης) Tην αγωγιμότητα (C). Είναι μια αριθμητική παράμετρος που αντιπροσωπεύει την αντίσταση στη ροή μεταξύ υδατορεύματος και υδροφόρου στρώματος. Υπολογίζεται από το μήκος του υδατορεύματος ανά κυψελίδα (L), το πλάτος του υδατορεύματος ανά κυψελίδα (W), το πάχος του υποστρώματος της κοίτης (M) και την υδραυλική αγωγιμότητά τους (K).Έτσι η αγωγιμότητα δίνεται από τη σχέση: L W C (3) M Γεωτρήσεις (Well Package) Το πακέτο αυτό αναφέρεται στα δεδομένα των γεωτρήσεων άντλησης ή εμπλουτισμού σε ένα υδροφορέα για μια δεδομένη περίοδο. Θετικές τιμές της παροχής 56

63 υποδηλώνουν εμπλουτισμό, ενώ οι αρνητικές κατάσταση άντλησης. Ο ρυθμός άντλησης θεωρείται ανεξάρτητος, τόσο από την έκταση του κελιού, όσο και από την πιεζομετρική στάθμη σ αυτή Εμπλουτισμός (Recharge Package, RCH) Το πακέτο αυτό προσομοιώνει την επιφανειακή κατανομή του εμπλουτισμού προς το υπόγειο υδροφόρο σύστημα. Ο εμπλουτισμός αναφέρεται, είτε στην κατείσδυση από τις βροχοπτώσεις, είτε σε τεχνητό εμπλουτισμό. O εμπλουτισμός μπορεί να εισαχθεί μόνο στο ανώτερο στρώμα (top layer). Έτσι δεν χρειάζεται ο υπολογισμός του εμπλουτισμού, που λαμβάνει χώρα ταυτόχρονα σε πολλαπλά επίπεδα μιας κατακόρυφης στήλης, επειδή ο φυσικός εμπλουτισμός εισέρχεται στον υδροφορέα από την επιφάνεια του εδάφους Ντραίνα (Drains) Το πακέτο αυτό έχει σχεδιασθεί για να προσομοιώνει τα αποτελέσματα της επιστροφής του αρδευτικού νερού στον υδροφόρο ορίζοντα, εξαιτίας της παρουσίας στραγγηστηρίων/ντραίνων. Τα δεδομένα εισόδου που απαιτεί είναι το βάθος των ντραίνων και η αγωγιμότητα C Evapotranspiration (ΕΤ) Το πακέτο αυτό προσομοιώνει τα αποτελέσματα της διαπνοής των φυτών και της εξάτμισης από την επιφάνεια του εδάφους. Στο MODFLOW η εξατμισιδιαπνοή εισάγεται στην οροφή του ανώτερου στρώματος το οποίο απαιτεί το ύψος της εξατμισοδιαπνοής σε mm ή m σε κάποια χρονική μονάδα sec. 57

64 6.4.9 General Head Boundary (G.H.B.) Το πακέτο αυτό χρησιμοποιείται κυρίως για να προσομοιώσει την υπόγεια υδραυλική επικοινωνία γειτονικών υδροφορέων. Έτσι αυτό το πακέτο μπορεί να προσομοιώσει την υδραυλική σύνδεση με έναν υδροφορέα, που βρίσκεται εκτός των ορίων της προσομοιούμενης περιοχής και υποδηλώνει την ύπαρξη μιας πλευρικής τροφοδοσίας. Τα αντικείμενα, για την προσομοίωση των οποίων χρησιμοποιείται το πακέτο αυτό, μπορούν να καθοριστούν με τη χρήση σημείων, τόξων ή πολυγώνων. Η παροχή τροφοδοσίας είναι ανάλογος προς τη διαφορά της στάθμης ανάμεσα στην εξωτερική αυτή πηγή και σε κάθε κυψελίδα στην περιοχή του μοντέλου. Η παροχή αυτή επίσης εξαρτάται από την αγωγιμότητα (conductance) των υλικών ανάμεσα στην εξωτερική πηγή και στο κελί ή των κελιών του μοντέλου με τις οποίες γειτνιάζει. Η αγωγιμότητα είναι μια αριθμητική παράμετρος και ορίζεται ως η οριζόντια υδραυλική αγωγιμότητα του κελιού πολλαπλασιαζόμενη με την εγκάρσια διατομή αυτής και διαιρούμενη με την απόστασή της από την εξωτερική πηγή τροφοδοσίας. Το πακέτο αυτό απαιτεί, για κάθε κελί που περιέχει το όριο αυτό: Το γενικό φορτίο: Αυτό το φορτίο είναι το επίπεδο της υδάτινης επιφάνειας στο όριο. Αυτό μπορεί να είναι φυσικά καθορισμένο όπως π.χ. η επιφάνεια μιας λίμνης ή μπορεί να ληφθεί από τη ρύθμιση του μοντέλου. Την αγωγιμότητα: Αντιπροσωπεύει την αντίσταση της ροής ανάμεσα στο όριο γενικού φορτίου και τα υπόγεια νερά της προσομοιούμενης περιοχής. 58

65 Specified head Tα όρια σταθερού φορτίου μένουν αμετάβλητα κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης. Αυτό προϋποθέτει ότι στην έναρξη και στο τέλος της προσομοίωσης τα φορτία είναι σταθερά και ζητούνται απλά τιμές υδραυλικού φορτίου στα άκρα του ορίου Ισχυρά πεπλεγμένη μέθοδος (Strongly Implicit Procedure Package, SIP) Το πακέτο αυτό συνιστά μια μέθοδο επίλυσης του συστήματος γραμμικών εξισώσεων, που προκύπτει με τη χρήση επαναληπτικών διαδικασιών. Όπως έχει προαναφερθεί για κάθε κελί χρησιμοποιείται μια εξίσωση πεπερασμένων διαφορών. Το σύνολο των εξισώσεων του καννάβου πρέπει να επιλύεται ταυτόχρονα σε κάθε βήμα. Η επίλυση συνίσταται στη λήψη μιας τιμής της πιεζομετρικής στάθμης για κάθε κόμβο Έλεγχος Αποτελεσμάτων (Output Control) Στο πακέτο αυτό καθορίζεται ο τρόπος και η μορφή των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης. Έχει τη δυνατότητα σύνδεσης με άλλα βοηθητικά προγράμματα για τη γραφική απεικόνιση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης. Γίνεται λοιπόν αντιληπτό από τα παραπάνω ότι τα απαραίτητα δεδομένα εισόδου (input data) για την εφαρμογή του Modflow είναι: Γεωμετρικά χαρακτηριστικά του υδροφορέα Αρχικές συνθήκες, δηλ. οι τιμές του πιεζομετρικού φορτίου σε όλους τους κόμβους του καννάβου. 59

66 Οριακές συνθήκες είτε με τιμές πιεζομετρικού φορτίου, είτε με τη μορφή ροής στα όρια του καννάβου. Βάθη υδροφόρων στρωμάτων. Υδραυλικές παράμετροι (υδραυλική αγωγιμότητα, συντελεστής αποθηκευτικότητας κ.ά.) Παροχές αντλήσεων ή εμπλουτισμού. Δεδομένα κατείσδυσης, που προκύπτουν από τις βροχοπτώσεις, την εξατμισιδιαπνοή και το είδος των γεωλογικών σχηματισμών. Διηθήσεις από ποταμούς ή χειμάρρους. Επιστροφές άρδευσης. 6.5 Σχεδιασμός του καννάβου Χρησιμοποιούνται γραμμές καννάβου για να χωριστεί η περιοχή μελέτης σε κελιά, τα οποία είναι ορθογώνια κατά τις δύο διαστάσεις τους, αλλά η καθ' ύψος διάσταση μπορεί να ακολουθήσει τη γεωλογική δομή. Τα κελιά του καννάβου δεν χρειάζεται να είναι όλα του ιδίου μεγέθους, παρόλα αυτά καμιά σειρά ή στήλη δεν πρέπει να είναι κατά 50% μεγαλύτερη από γειτονική της. Η διαφορά στο μέγεθος επιβαρύνει το σφάλμα του μοντέλου και εάν η διαφορά στα μεγέθη εφαπτόμενων σειρών ή στηλών είναι πολύ μεγάλη, τα προκύπτοντα σφάλματα μπορεί να είναι σημαντικά. Επειδή η επίλυση της προσομοίωσης του μοντέλου μπορεί να πάρει αρκετό χρόνο, είναι χρήσιμο να χρησιμοποιούνται μικρά κελιά μόνο σε εκείνα τα τμήματα του μοντέλου, 60

67 στα οποία απαιτούνται λεπτομερή αποτελέσματα ή όπου οι κλίσεις είναι μάλλον απότομες. Πιο απότομες κλίσεις βρίσκονται κοντά στα πηγάδια άντλησης και σε άλλα σημεία απορροής. Αν ο υδροφορέας προς προμοίωση είναι ανισότροπος, ο κάνναβος πρέπει να ευθυγραμμιστεί με τις διευθύνσεις της μεγαλύτερης και της μικρότερης υδραυλικής αγωγιμότητας. Διαφορετικά, ο κάνναβος θα πρέπει να ευθυγραμμιστεί με όποιον τρόπο είναι πιο βολικός. Υπάρχει η δυνατότητα κάποια κελιά του καννάβου να καθοριστούν ως ανενεργά, με αποτέλεσμα να εξαιρούνται από το μοντέλο. Τα όρια του συστήματος ροής πρέπει να προσεγγιστούν από ένα κλειστό όριο. Εάν η επαναφόρτιση δεν είναι ομοιόμορφη, η περιοχή που εκτείνεται γύρω από κάθε ζώνη διαφορετικής επαναφόρτισης πρέπει να είναι κοντά στα πραγματικά της όρια, έτσι ώστε η ποσότητά της να είναι προσεγγιστικά σωστή. 6.6 Τρόποι προσέγγισης του MΟDFLOW Τα μοντέλα προσομοίωσης του MODFLOW μπορούν να κατασκευαστούν με δύο εναλλακτικές προσεγγίσεις: Την προσέγγιση του καννάβου (Grid Approach). Αυτή συνεπάγεται την απευθείας εργασία πάνω στον τρισδιάστατο κάνναβο και την εφαρμογή των οριακών συνθηκών, καθώς και την εισαγωγή όλων των υπολοίπων παραμέτρων του μοντέλου από κελί σε κελί. Την προσέγγιση του εννοιολογικού μοντέλου (Conceptual Model Approach). Εδώ η εργασία προϋποθέτει τη χρήση εργαλείων προερχόμενων από τα γεωγραφικά συστήματα πληροφοριών, πάνω σε ψηφιοποιημένο χάρτη της περιοχής που 61

68 πρόκειται να προσομοιωθεί. Τα δεδομένα του εννοιολογικού μοντέλου εν συνεχεία αντιγράφονται στον κάνναβο. Σημειώνεται ότι στις περισσότερες περιπτώσεις προσομοίωσης πραγματικών προβλημάτων η προσέγγιση του εννοιολογικού μοντέλου είναι αποτελεσματικότερη σε σχέση με την προσέγγιση του καννάβου. Εντούτοις, η πρώτη είναι χρήσιμη σε απλά προβλήματα ή σε ακαδημαϊκές ασκήσεις, όπου η εισαγωγή στοιχείων κελί προς κελί θεωρείται απαραίτητη Προσέγγιση Καννάβου Τα βήματα της εργασίας στην προσέγγιση αυτή, παρουσιάζονται περιληπτικά, μιας και δεν είναι αυτή που έχει επιλεγεί και είναι τα ακόλουθα: Αρχικά δημιουργείται ο κάνναβος, ορίζοντας τις τρεις διαστάσεις του, αφού έχει επιλεχθεί η κατάλληλη μονάδα μέτρησης. Μαζί με αυτές, καθορίζεται και ο επιθυμητός αριθμός των κελιών για κάθε διάσταση. Στη συνέχεια εισάγονται οι βασικές επιδράσεις που δέχεται το μοντέλο (ντραίνα, πηγάδια, επαναφορτίσεις ή ό,τι άλλο περιλαμβάνει η εξεταζόμενη περιοχή), καθώς και τον τρόπο με τον οποίο θα γίνει ο υπολογισμός των αποτελεσμάτων. Το επόμενο βήμα είναι να καθοριστούν τα ενεργά, ανενεργά ή σταθερού φορτίου κελιά και έπειτα τα αρχικά φορτία, τα οποία χρησιμοποιούνται για την προσομοίωση της μεταβαλλόμενης ροής. Εάν πρόκειται για προσομοίωση σταθερής ροής, μια αρχική τιμή του σταθερού φορτίου δε θα επηρέαζε προφανώς σημαντικά την τελική λύση. Εξάλλου, όσο πλησιέστερες 62

69 είναι οι αρχικές τιμές φορτίου στις τελικές, τόσο γρηγορότερα καταλήγει το Modflow σε λύση. Επιπρόσθετα, για ορισμένους τύπους στρωμάτων, αν οι αρχικές τιμές είναι πολύ χαμηλές, το Modflow μπορεί να θεωρήσει τα εν λόγω κελιά ξηρά. Σε αυτό το σημείο εισάγονται τα δεδομένα που αφορούν τη ροή κάθε στρώματος. Βάσει αυτών υπολογίζονται οι αγωγιμότητες μεταξύ των κελιών του καννάβου και καθορίζονται οι εξισώσεις των πεπερασμένων διαφορών για τη ροή από κελί σε κελί. Το πρόγραμμα απαιτεί σε αυτή τη φάση για τον υπολογισμό των παραπάνω αγωγιμοτήτων - τον καθορισμό ενός συνόλου παραμέτρων για κάθε επίπεδο, παράμετροι που εξαρτώνται σαφώς από το είδος του. Συνεπώς, ορίζονται το είδος, το πάνω και κάτω όριο, καθώς και την οριζόντια και κάθετη υδραυλική αγωγιμότητα κάθε επιπέδου. Τελευταίο βήμα, η εισαγωγή της επαναφόρτισης του υδροφορέα εξαιτίας της βροχόπτωσης, συνεπώς και της κατείσδυσης. Ομοίως, ορίζονται τα τυχόν ντραίνα με τα υψόμετρα και την αγωγιμότητά τους, καθώς και τα πηγάδια με τις αντλήσεις τους. Έπειτα από τα παραπάνω βήματα, αφού αποθηκευτεί όπως πάντα σε αυτό το σημείο η προσομοίωσή, εκτελείτε το πρόγραμμα. Το GMS διαβάζει αυτόματα τη λύση του Modflow, όταν κλείσει το παράθυρο διαλόγου του τελευταίου. Είναι ορατές πλέον οι ισοπιεζομετρικές καμπύλες της λύσης μας. 63

70 Το Modflow παρέχει τη δυνατότητα επιλογής του τρόπου εμφάνισης των αποτελεσμάτων, καθώς και πλήθος επιλογών για την ανάλυσή τους, όπως ιστογράμματα, δείκτες σφαλμάτων, κ.ά Προσέγγιση εννοιολογικού μοντέλου Το εννοιολογικό μοντέλο συνεπάγεται υλοποίηση μιας υψηλού επιπέδου και ταυτόχρονα απλοποιημένης αναπαράστασης του μοντέλου με τη χρήση χαρακτηριστικών αντικειμένων της σχεδιαστικής υπορουτίνας (Map module) (Σχήμα 6.2). Από τη στιγμή που το μοντέλο έχει καθοριστεί, ο κάνναβος δημιουργείται αυτόματα, ενώ επίσης αυτόματα το GMS αντιστοιχίζει τις οριακές συνθήκες και τις λοιπές παραμέτρους με τα κατάλληλα κελιά. Για τη διαμόρφωση του εννοιολογικού μοντέλου μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν σχεδιαστικά εργαλεία σημεία, τόξα και πολύγωνα, θυμίζοντας αρκετά τα εργαλεία ενός Γεωγραφικού Συστήματος Πληροφοριών. Πριν την παρουσίαση της εννοιολογικής προσέγγισης, είναι προτιμότερο να αναλυθεί το Γραφικό περιβάλλον χρήστη (GUI) του GMS. Στο Σχήμα 6.2 φαίνεται το περιβάλλον αυτό με τις επιλογές που διαθέτει και οι οποίες είναι: Κεντρικό μενού (Menus): Όπως όλα τα προγράμματα, έτσι και αυτό διαθέτει το βασικό μενού του, που αφορά στις κεντρικές λειτουργίες του (File, Edit, Display), αλλά και στις εξειδικευμένες που αναφέρονται στα μοντέλα, που ο χρήστης μπορεί να χρησιμοποιήσει όπως το MODFLOW. Αξίζει να σημειωθεί πως τα πακέτα που υποστηρίζουν το κάθε μοντέλα βρίσκονται στο υπομενού του καθενός. 64

71 Σχήμα 6.2: Τύποι κελιών και προσομοίωση οριακών συνθηκών. Εργαλειοθήκη (Tool Palette): Η εργαλειοθήκη είναι διαφορετική για κάθε μοντέλο που χρησιμοποιείται. Δίνει τα εργαλεία για τη δόμηση και επεξεργασία ενός προβλήματος. Παράθυρο Σύνταξης (Edit Window): Παρουσιάζει τις συντεταγμένες, το υψόμετρο ενός σημείου, κελιού και την τιμή μιας παραμέτρου ή άλλης ιδιότητας στην εν λόγω θέση. Παράθυρο εξερεύνησης έργου (Project Explorer): Αποτελεί το παράθυροχώρο στον οποίο δομείται και επεξεργάζεται το πρόβλημα. Εμφανίζονται σε αυτό τα υπό χρήση μοντέλα και μέσα από αυτά τα πακέτα τους, τόσο σε 65

72 επίπεδο δεδομένων όσο και σε επίπεδο αποτελεσμάτων. Έχει τη μορφή του windows explorer. Παράθυρο σχεδίασης (Graphic Window): Πρόκειται για την απεικόνιση τόσο του χάρτη περιοχής μελέτης, όσο και γραφικών παρεμβάσεων του χρήστη όπως τόξα, πολύγωνα, σημεία, κάνναβος με τα κελιά κ.α. Παράθυρο χρονικών βημάτων (Time step window): Εμφανίζεται σε προβλήματα μη μόνιμης ροής. Παρουσιάζεται η χρονική διακριτοποίηση τόσο των δεδομένων του μοντέλου, όσο και των αποτελεσμάτων του (π.χ. υδραυλικά ύψη, διανύσματα ροής κ.α.). Μικρός Κάνναβος (Mini Grid): Αφορά το μενού των λειτουργιών του καννάβου. Κάνοντας χρήση αυτού, κάποιος μπορεί να μεταφέρεται από κελί σε κελί και από στρώμα σε στρώμα. Μοντέλα (Modules): Αφορά τα μοντέλα που μπορεί ο χρήστης να επιλέξει. Η χρήση κάθε φορά διαφορετικού μοντέλου αλλάζει τόσο την εργαλειοθήκη όσο και το κεντρικό μενού. Η δημιουργία του συγκεκριμένου μοντέλου απαιτεί δεδομένα που αφορούν: στην αναγνώριση των ορίων των υδρολογικών λεκανών. στην αναγνώριση των ορίων του συστήματος, συμπεριλαμβανομένων και των υδραυλικών διαχωρισμάτων, των αδιαπέραστων ορίων και των περιοχών επαναφορτίσεων. 66

73 στις ιδιότητες κάθε υδρολογικής μονάδας (παράμετροι). Αυτές είναι η υδραυλική αγωγιμότητα, η μεταφορικότητα, η ειδική αποθηκευτικότητα, ο συντελεστής αποθηκευτικότητας, η ειδική απόδοση των φρεάτιων υδροφορέων. στην προέλευση του νερού του μοντέλου και την ποσότητά του, που μπορεί να αναφέρεται σε διαρροή από έναν άλλο υδροφορέα ή σε επαναφόρτιση του ίδιου του υδροφορέα. σε όλες τις τοποθεσίες και τις διαδικασίες μέσω των οποίων το νερό εγκαταλείπει το σύστημα, συμπεριλαμβανομένων των αντλήσεων των πηγαδιών, την απορροή προς τα ποτάμια ή τα ντραίνα, την εξατμισιδιαπνοή και τυχαίες άλλες διαδικασίες. στην εκτίμηση των ρυθμών επαναφόρτισης ή απορροής όλων των μηχανισμών. στις αρχικές συνθήκες, για περιπτώσεις προσομοίωσης μεταβαλλόμενης ροής και στηρίζεται σε πολύ καλά οργανωμένη προετοιμασία που έχει κάνει ο μελετητής με βάση τη βιβλιογραφία (Γεωμορφολογία, Υδρολογία, Χρήσεις Γης) και την έρευνα πεδίου. Μια τέτοια προεργασία παρουσιάζεται στο Σχήμα 6.3 για ένα παράδειγμα ενός υπόγειου υδροφορέα στο Ανατολικό Τέξας. Το Σχήμα 6.3 προέρχεται από την εταιρεία Aquaveo, που εμπορεύεται το GMS. 67

74 Σχήμα 6.3: Χαρακτηρισμός της περιοχής μελέτης μέσω (a). της οριζοντιογραφίας της περιοχής αποτυπώνοντας τις χρήσεις γης, τα υδάτινα επιφανειακά σώματα και (b). της βόρειας-νότιας γεωλογικής τομής. Βήματα δόμησης ενός προβλήματος υπόγειας ροής μέσω της εννοιολογικής προσέγγισης. Κάθε δόμηση ενός πραγματικού προβλήματος ξεκινά με την ψηφιοποίηση του χάρτη της περιοχής μελέτης. Ο χάρτης είθισται να είναι ένας γεωγραφικός, στον οποίο αποτυπώνεται οι ισοϋψείς, οι ορεινοί όγκοι, οι οικισμοί, και τα επιφανειακά υδάτινα σώματα, βοηθώντας έτσι το χρήστη να αποτυπώσει αυτές τις ιδιότητες. Η εισαγωγή αυτή γίνεται μέσω του μενού File Open αρκεί να επιλεχθεί το είδος του αρχείου που θα 68

75 φορτωθεί (δηλαδή εικόνα). Για την ψηφιοποίησή του, το πρόγραμμα απαιτεί την αναγνώριση τριών σημείων στο χάρτη και την εγγραφή τόσο των συντεταγμένων τους, όσο και του υψομέτρου, αν αυτό υπάρχει. Σε δεύτερη φάση ζητείται και το Γεωγραφικό Σύστημα Συντεταγμένων, το οποίο επιλέγεται από μια τεράστια γκάμα. Η επιλογή των μονάδων του προβλήματος, αποτελεί σημαντικό βήμα, και επιτυγχάνεται από το μενού Edit Units. Η προσέγγιση ξεκινά με τη δημιουργία του εννοιολογικού μοντέλου κάνοντας δεξί κλικ στο Project Explorer και επιλέγοντας το New Conceptual Model. Πρέπει να δοθεί όνομα (π.χ. Eat Texas) και να επιλεγεί ως μοντέλο το Modflow. Εφόσον δημιουργήθηκε το εννοιολογικό μοντέλο, πρέπει να καταρτιστούν, εντός αυτού, τα διάφορα επίπεδα (coverages), τα οποία θα αναφέρονται στις ομάδες των δεδομένων. Πρώτο επίπεδο δεν είναι άλλο από αυτό της οριοθέτησης της περιοχής. Πραγματοποιείται με τη χρήση του εργαλείου Create Arc από την εργαλειοθήκη. Δηλώνονται τα κατακόρυφα στρώματα (layers) που ο υδροφορέας έχει και ένα μέσο υψόμετρο, καθώς και ένα όνομα του π.χ. Boundary. Πάνω σε αυτό στηρίζεται και το δεύτερο επίπεδο, το οποίο προκύπτει από την εντολή duplicate του πρώτου και μπορεί να του δοθεί το όνομα Sources&Sinks. Αυτό αφορά την ομάδα των υδρολογικών δεδομένων με το όνομα Sources/Sinks/BCs και αναφέρεται στις εισροές και εκροές του συστήματος. Αυτά επιλέγονται με δεξί κλικ και μέσω του Coverage Setup. Ο χρήστης μπορεί να επιλέξει πηγάδια, ντραίνα, ποτάμια και άλλα υποστηρικτικά πακέτα, ανάλογα με τη φύση του προβλήματος. Πρέπει και εδώ να δηλωθεί για ποιο στρώμα αναφέρονται. Εφόσον τα προδηλώσει μπορεί πλέον να επιλέξει κάποια από αυτά με το εργαλείο select arc και να εισάγει τα απαραίτητα δεδομένα ή να τα δημιουργήσει από την αρχή με το εργαλείο create arc. Όλα τα παραπάνω για γραμμικά 69

76 σώματα. Για σημεία π.χ. πηγάδια η δημιουργία τους γίνεται με το create point και έπειτα επιλέγονται για να δοθούν οι συντεταγμένες και τα απαραίτητα δεδομένα όπως παροχή, στρώμα. Στην περίπτωση που το πρόβλημα προσομοιώνει χρονικά μεταβαλλόμενη ροή, από το μενού των ιδιοτήτων του κάθε στοιχείου (ποτάμι, ντραίνο, πηγάδι) επιλέγεται η περίπτωση της εισαγωγής χρονικά μεταβαλλόμενων δεδομένων. Στο Σχήμα 6.4, παρουσιάζεται το μενού των ιδιοτήτων ενός πηγαδιού. Ένα επιπλέον δεδομένο που απαιτείται στην περίπτωση των πηγαδιών είναι η πύκνωση του καννάβου, η οποία πρέπει να πραγματοποιηθεί στην περιοχή του πηγαδιού και ενεργοποιείται με την επιλογή refine point από το Coverage Setup. Στη στήλη Flow Rate έχει επιλεχθεί το μενού transient, το οποίο οδηγεί στο Σχήμα 6.5, για να εισαχθεί η χρονικά μεταβαλλόμενη παροχή άντλησης (αρνητικό νούμερο) ή εισροής (θετικό νούμερο) του πηγαδιού. Σχήμα 6.4: Μενού των ιδιοτήτων ενός πηγαδιού. Αυτό το οποίο πρέπει να ξεκαθαριστεί για τις χρονικά μεταβαλλόμενες ροές (παροχή πηγαδιού, ροή κατείσδυσης ή υδραυλική επικοινωνίας) είναι πως αναφέρονται σε χρονικό τμήμα και όχι σημείο. Για αυτό και στο χρονικό σημείο (ημερομηνία) που υπάρχει αλλαγή, αυτό χρησιμοποιείται δύο φορές, μία με την παλιά τιμή και μία για τη νέα, κάνοντας έτσι το γράφημα με γόνατα και τις γραμμές κάθετες ή παράλληλες (Σχήμα 6.5). Σε περίπτωση 70

77 γραμμής με άλλη γωνία, η εισαγωγή είναι λανθασμένη, διότι το δεδομένο αυτό αναφέρεται σε περίοδο και όχι σε χρονικό σημείο, όπως π.χ. τα δεδομένα παρατήρησης. Σχήμα 6.5: Εισαγωγή χρονικά μεταβαλλόμενης παροχής πηγαδιού. Οι αλλαγές αυτές στις χρονικά μεταβαλλόμενες εισροές ή εκροές του συστήματος θα του καθορίσουν και το χρονικό βήμα εξαγωγής των αποτελεσμάτων (stress period). Συνήθως για λόγους ευκολίας, αλλά και εξαιτίας της αργής κίνησης του υπόγειου νερού, τα περισσότερα μοντέλα υπόγειας ροής έχουν μηνιαίο χρονικό βήμα. Ο τρόπος προσομοίωσης των υπόλοιπων φυσικών ιδιοτήτων που συμβάλλουν στην εκροή ή εισροή νερού στον υπόγειο υδροφορέα, ακολουθεί την ίδια βηματολογία με τα ως άνω αναφερόμενα, με τη μόνη διαφορά πως απαιτούνται πέραν των βασικών και επιπλέον δεδομένα, όπως στην περίπτωση: 71

78 του specified head απαιτούνται μόνο τα υδραυλικά ύψη των άκρων του τόξου, του general head, πέραν των υδραυλικών υψών στα άκρα, απαιτείται και ο ρυθμός υδραυλικής επικοινωνίας του ντραίνου, πέραν των υδραυλικών υψών στα άκρα και του ρυθμού υδραυλικής επικοινωνίας, απαιτείται και το ύψος του πυθμένα του ντραίνου του ποταμού, πέραν των υδραυλικών υψών στα άκρα, του ρυθμού υδραυλικής επικοινωνίας, και του ύψος του πυθμένα του ποταμού, απαιτείται και το ύψος της ελεύθερης επιφάνειας του νερού. Το Σχήμα 6.6 δείχνει ποιες επιλογές έχουν ενεργοποιηθούν στο μενού Coverage Setup του επιπέδου Sources&Sink των εισροών εκροών, για ένα απλό παράδειγμα. Κλείνοντας με τις εισροές και εκροές του συστήματος που αφορούν τόξα και σημεία, απομένουν αυτές που αφορούν πολύγωνα ολόκληρα, δηλαδή αναφέρονται σε χώρο, τμήμα της περιοχής μελέτης. Το πιο χαρακτηριστικό δεδομένο είναι η κατείσδυση από τη βροχόπτωση. Αυτό το δεδομένο από μόνο του έχει ένα δικό του επίπεδο (coverage). Κάνοντας πάλι duplicate το βασικό επίπεδο (Boundary) και αφού αλλαχθεί το όνομα του νέου (π.χ. recharge), επιλέγεται το Recharge rate, από την ομάδα δεδομένων Areal Properties του μενού Coverage Setup. Ο λόγος που η κατείσδυση βρίσκεται σε αυτήν την ομάδα, είναι αυτός που διατυπώθηκε αμέσως πριν. Και εδώ, όπως και στα πηγάδια, επιλέγεται η εισαγωγή, μέσω του μενού των ιδιοτήτων του, των χρονικά μεταβαλλόμενων εισροών. Η δημιουργία ενός πολυγώνου στηρίζεται στη χρήση των τόξων, υλοποιώντας τα με το να ξεκινούν και να τελειώνουν στο ίδιο σημείο. Για την ενεργοποίηση όμως των 72

79 πολυγώνων απαιτείται η εντολή Feature Objects Build Polygons. Για να επιλεχθούν υπάρχει το εργαλείο Select Polygons. Το Σχήμα 6.7 δείχνει ποιες επιλογές έχουν ενεργοποιηθούν στο μενού Coverage Setup του επιπέδου Recharge, για ένα απλό παράδειγμα. Σχήμα 6.6: Το μενού Coverage Setup του επιπέδου Sources&Sink. 73

80 Σχήμα 6.7: Το μενού Coverage Setup του επιπέδου Sources&Sink. Επόμενο βήμα είναι η εισαγωγή των υδρογεωλογικών παραμέτρων. Βασικές είναι η υδραυλική αγωγιμότητα Κ (οριζόντια και κάθετη), ο συντελεστής αποθήκευσης S και η ειδική απόδοση (y). Αυτές οι παράμετροι αναφέρονται ως Areal Properties, αφού καταλαμβάνουν χώρο. Μπορούν όμως σε περιπτώσεις ετερογένειας να αντιμετωπίζονται ως ζώνες (πολλά πολύγωνα εντός της περιοχής μελέτης) ή με τη χρήση γεωστατιστικών 74

81 εργαλείων ως χωρικά μεταβαλλόμενες. Η πρώτη περίπτωση ετερογένειας παρουσιάζεται εδώ, ενώ για τη δεύτερη θα γίνει ιδιαίτερη μνεία παρακάτω σε ξεχωριστό υπο-κεφάλαιο. Η δημιουργία και αυτού του επιπέδου είναι ίδια με των προγενέστερων, μέσω του duplicate του βασικού επιπέδου Boundary. Και πάλι με δεξί και επιλογή του μενού Coverage Setup ενεργοποιούνται οι παράμετροι που πρόκειται να χρησιμοποιηθούν. Προσοχή πρέπει να δοθεί στις μονάδες. Στην περίπτωση της αντιμετώπισής της ετερογένειας με τη δημιουργία πολυγώνων, αρκεί η επιλογή του εργαλείου create arc, ώστε Polygons, για να ενεργοποιηθούν. Το επίπεδο αυτό μπορεί να ονομαστεί Parameters στην περίπτωση που ο υδροφορέας έχει ένα κατακόρυφο στρώμα ή Layer 1 ή 2, στην περίπτωση που έχει παραπάνω από ένα. Η εισαγωγή των δεδομένων γίνεται με την επιλογή του εργαλείου Select Polygons και διπλό κλικ στον εκάστοτε πολύγωνο. Το Σχήμα 6.8 δείχνει ποιες επιλογές έχουν ενεργοποιηθούν στο μενού Coverage Setup του επιπέδου των παραμέτρων, για ένα απλό παράδειγμα. Τα βασικά επίπεδα (coverages) του εννοιολογικού μοντέλου έχει καταρτισθεί και απομένει μόνο αυτό των παρατηρούμενων τιμών, το οποίο θα αναλυθεί στο υπο-κεφάλαιο της ρύθμισης (calibration) του μοντέλου. Ήρθε η ώρα για την κατασκευή του καννάβου, το οποίο θα πραγματοποιηθεί με την ενεργοποίηση του μοντέλου Modflow. Στον Project Explorer γίνεται δεξί κλικ και επιλέγεται το New Grid Frame και έπειτα δεξί κλικ στο Grid Frame που μόλις δημιουργήθηκε και επιλέγεται η εντολή Fit to Active Coverage, για να περιλάβει όλη την περιοχή μελέτης. Με διπλό κλικ ανοίγεται το παράθυρο των ιδιοτήτων του και εκεί προδηλώνονται κάποια αρχικά γεωμετρικά χαρακτηριστικά, τα οποία σίγουρα θα αλλαχθούν στην πορεία. Από την εντολή Feature Objects Map 3D Grid 75

82 δημιουργείται ο κάνναβος και στο μενού που εμφανίζεται μπορεί ο χρήστης να τροποποιήσει τον αριθμό των κελιών και να δηλώσει τον αριθμό των κατακόρυφων στρωμάτων. Ο κάνναβος είναι έτοιμος και με δεξί κλικ σε αυτό και εκτελώντας την εντολή New MODFLOW δημιουργείται το μοντέλο και εμφανίζεται το μενού του (Σχήμα 6.9). Σχήμα 6.8: Το μενού Coverage Setup του επιπέδου των παραμέτρων. 76

83 Σχήμα 6.9: Μενού του μοντέλου Modflow. Από το εν λόγω μενού μπορεί να επιλεχθεί ποια έκδοση του Modflow (2000, 2005, NWT, LGR, USG) επιθυμεί ο χρήστης να τρέξει, όπως και το είδος της εφαρμογής (Forward, Parameter Estimation, Stochastic, Stochastic Inverse). Στην προκειμένη περίπτωση για την επίλυση της κίνησης του υπόγειου νερού η εφαρμογή είναι η Forward. Σε χρονικά μεταβαλλόμενες ροές πρέπει να επιλεχθεί η Transient εντολή και στο μενού Stress Period να δηλωθούν οι περίοδοι αλλαγής ή πιο απλά τα χρονικά βήματα εισαγωγής των δεδομένων και εξαγωγής των αποτελεσμάτων, όπως φαίνεται στο Σχήμα Αν ο χρήστης επιθυμεί να κατακερματίσει χρονικά αυτές τις περιόδους σε μικρότερες δηλώνει τον επιθυμητό αριθμό στη στήλη Num Tme Steps. 77

84 Σχήμα 6.10: Κατάρτιση των περιόδων αλλαγής. Στο Σχήμα 6.10, η περίοδος προσομοίωσης είναι ένας χρόνος (1/10/2004 1/10/2005) με μηνιαίες περιόδους αλλαγής και χωρίς καμία υποδιαίρεσή τους. Επομένως αναμένεται τα αποτελέσματα να εμφανιστούν στο Time Step Window για τους 12 αυτούς μήνες. Δηλαδή, όσον αφορά τα υδραυλικά ύψη, θα εμφανιστούν 12 χάρτες αυτών, ένας για κάθε πρώτη κάθε μήνα. Οι υπόλοιπες επιλογές παρουσιάζονται παρακάτω: Packages: Τα πακέτα που χρησιμοποιούνται στο Modflow. Ο χρήστης δεν χρειάζεται να ενεργοποίηση κάποιο από αυτά εδώ, αλλά εκτελώντας την εντολή Map To MODLOW/MOPATH το Modflow έχει τη νοημοσύνη να 78

85 διαβάσει και να ενεργοποιήσει αυτόματα ποια πακέτα δηλώθηκαν στο εννοιολογικό μοντέλο. Η εντολή αυτή χρησιμοποιείται όταν έχει ολοκληρωθεί το εννοιολογικό μοντέλο και θα εμφανιστεί παρακάτω. Units: Οι μονάδες του μοντέλου. IBOUND: Εμφανίζονται τα ενεργά και τα ανενεργά κελιά του καννάβου. Στα ενεργά δηλώνεται ο αριθμός 1 και στα ανενεργά 0. Ο διαχωρισμός αυτός θα πραγματοποιηθεί παρακάτω. Staring Heads: Τα αρχικά ύψη για κάθε κελί του καννάβου. Top Layer: Το υψόμετρο του άνω επιπέδου για το εν λόγω στρώμα. Στην περίπτωση του ανώτερου στρώματος αντιπροσωπεύει το ανάγλυφο της περιοχής. Bottom Layer: Το υψόμετρο του κάτω επιπέδου για το εν λόγω στρώμα. Στην περίπτωση του κατώτερου στρώματος αντιπροσωπεύει το αδιαπέραστο του υδροφορέα. Συνεχίζοντας την κατάρτιση του προβλήματος επιστρέφουμε στο Project Explorer και επιλέγοντας ένα πολύγωνο από το επίπεδο Sources&Sinks εκτελείται η εντολή Feature Objects Activate Cells in Coverage(s) και απενεργοποιούνται τα κελιά τα οποία βρίσκονται εκτός περιοχής μελέτης και είναι τα ονομαζόμενα ανενεργά που προαναφέρθηκαν. Αμέσως ο κάνναβος γίνεται μικρότερος και τα όρια του συμπίπτουν με τα άκρα της περιοχής μελέτης. 79

86 Το μόνο, το οποίο απομένει είναι η μεταφορά όλων των χαρακτηριστικών που καταρτίστηκαν στο Map Module στο Modlow. Με δεξί κλικ στο όνομα του εννοιολογικού μοντέλου East Texas και επιλέγοντας την εντολή Map To Modflow Modpath, όλα τα δεδομένα που χτίστηκαν στον εννοιολογικό μοντέλο μεταφέρονται στο Modflow, δίνοντας την κάθε πληροφορία σε κάθε του κελί. Μάλιστα, το Modflow αναγνωρίζει την κάθε υδρολογική ενότητα και την χαρακτηρίζει για κάθε κελί με δικούς του συμβολισμούς, τους οποίους μπορεί κάποιος να δει από το μενού Display Options 3D Grid Data Modflow. Ο χρήστης μπορεί να επαλήθευση την ορθή μεταφορά από τα υπό-μενού της εντολής Modflow του βασικού μενού. Η επεξήγηση του Global/Basic Package έγινε προηγουμένως. Οι υδρογεωλογικές παράμετροι παρουσιάζονται στο Πακέτο LPF ή BCF (αναλόγως ποιο θα επιλεγεί) και οι υδρολογικές ενότητες (Drain, River, Recharge, General/Constant Head κ.α.) παρουσιάζονται στο μενού Optional Package. Χωρική παρεμβολή δεδομένων παραμέτρων Ένα σημαντικό module που το GMS διαθέτει είναι αυτό των γεωστατιστικών εργαλείων (2D or 3D Geostatistics) για τη χωρική παρεμβολή δεδομένων του μοντέλου. Τέτοια δεδομένα μπορεί να είναι τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του υδροφορέα και των κατακόρυφων στρωμάτων και οι υδρογεωλογικές παράμετροι. Η φιλοσοφία πίσω από αυτή τη λειτουργία είναι πως τα δεδομένα είναι δειγματοληπτικές σημειακές τιμές (Scatter Data) και με τη χρήση των γεωστατιστικών εργαλείων παρεμβάλλονται στο χώρο ώστε να αντιστοιχεί μία ξεχωριστή τιμή του δεδομένου αυτού σε κάθε κελί του καννάβου. Έστω ότι πρόκειται για δισδιάστατα δεδομένα, τα οποία χαρακτηρίζονται από τις συντεταγμένες τους και μια τιμή για την παράμετρο. Για να ξεκινήσει η εν λόγω εφαρμογή γίνεται δεξί κλικ 80

87 στο Project Explorer και επιλέγεται η εντολή New 2D Scatter Point. Υπάρχουν 2 τρόποι εισαγωγής των δειγματοληπτικών σημειακών δεδομένων: 1. Απευθείας από το πρόγραμμα, με την επιλογή του εργαλείου Create Scatter Point. Πρέπει να σημειωθεί εδώ πως άλλαξε τόσο το module του προγράμματος (2D Scatter Point) με αποτέλεσμα να αλλάξει και η εργαλειοθήκη. Αφού επιλεχθεί το εν λόγω εργαλείο, ο χρήστης επιλέγει τυχαία ένα σημείο στο Graphic Window, και δηλώνει τις συντεταγμένες και την τιμή του δεδομένου στο Edit Window. Είναι προτιμητέο στην περίπτωση των λίγων δεδομένων. 2. Με την εισαγωγή αρχείου μορφής *.txt ή *.dat μέσω του μενού Import Wizard (Σχήμα 6.11). Στην προκειμένη περίπτωση πρέπει η δομή του αρχείου να είναι σε στήλες για κάθε δεδομένο όπως όνομα, id, Χ, Υ, Data, όπου Data η τιμή της παραμέτρου. Σχήμα 6.11: Παράθυρο εισαγωγής αρχείων σημειακών δεδομένων 81

88 Με την επιτυχή εισαγωγή των δεδομένων αμέσως εμφανίζεται στο Project Explorer το module 2D Scatter Data και από κάτω η ομάδα των δεδομένων που εισήχθη. Τα σημεία αυτά εμφανίζονται και στην περιοχή μελέτης στο Graphic Window (Σχήμα 6.12). Σχήμα 6.12: Σημειακά δεδομένα (Scatter Data) του υποβάθρου του υπόγειου υδροφορέα (Aquaveo). Για να πραγματοποιηθεί η χωρική παρεμβολή αυτών απαιτείται η δημιουργία δισδιάστατου καννάβου (2D Grid). Αυτό επιτυγχάνεται με δεξί κλικ στην ομάδα των σημειακών δεδομένων και επιλογή της εντολής Bounding 2D Grid. Στο μενού των ιδιοτήτων του δισδιάστατου καννάβου πρέπει να δηλωθούν ο αριθμός των κελιών για την Χ και Υ κατεύθυνση, ενώ τα όρια του αναγνωρίζονται από το πρόγραμμα. Το GMS παρέχει τέσσερις μεθόδους χωρικής παρεμβολής, με την επιλογή της εντολής Interpolation από το βασικό Μενού και είναι: 1) Linear, 2) Inverse distance weighted, 3) Clough-Tocher, 4) Natural neighbor και 5) Kriging 82

89 Η ανάλυση της κάθε μεθόδου είναι πέρα από τις ανάγκες του εν λόγω εγχειρίδιου και ο χρήστης μπορεί να τις αναζητήσει στο διαδίκτυο. Ακολουθώντας μία από αυτές τις μεθόδους, ο δισδιάστατος κάνναβος πληρώνεται με τιμές του δεδομένου σε κάθε κελί. Για να μεταφερθούν τα δεδομένα αυτά στο Modflow, ο χρήστης κάνει δεξί κλικ στην ομάδα δεδομένων του 2D Scatter Data και επιλέγει την εντολή Interpolate Modflow Layers και στο μενού που εμφανίζεται (Σχήμα 6.13) ο χρήστης πρέπει να επιλέξει σε ποια ομάδα δεδομένων θα αντιστοιχεί. Για το λόγο αυτό επιλέγονται και από τα δύο παράθυρα οι ομάδες δεδομένων και με τη χρήση της εντολής Map αυτό επιτυγχάνεται. Σχήμα 6.13: Μεταφορά των χωρικά παρεμβαλλόμενων σημειακών δεδομένων στο Modflow. 83

90 Εκτέλεση και αποτελέσματα του Modflow Εφόσον όλα τα απαραίτητα δεδομένα έχουν εισαχθεί για τη συγκεκριμένη βασική προσομοίωση, απαιτείται ένας έλεγχος του μοντέλου πριν την εφαρμογή του. Αυτό γίνεται μέσω της εντολής Check Simulation από την εντολή Modflow και την ενεργοποίηση της εντολής Run Check στο παράθυρο που θα εμφανισθεί (Σχήμα 6.14). Δεν πρέπει να εμφανίζονται πρωτίστως σφάλματα (errors) και δευτερευόντως ειδοποιήσεις (warnings). Σχήμα 6.14: Παράθυρο για τον έλεγχο του μοντέλου. Απομένει λοιπόν η εφαρμογή του μοντέλου, η οποία πραγματοποιείται με την εντολή Modflow Run Modflow. Εμφανίζεται γράφημα με τη χρονική περίοδο της 84

91 προσομοίωσης και των σφαλμάτων των αποτελεσμάτων και η επιτυχία της εφαρμογής πιστοποιείται με την ένδειξη «MODFLOW 2000 terminated successfully κάτω αριστερά, στο εν λόγω παράθυρο. Με το που κλείσει ο χρήστης το παράθυρο εμφανίζεται στο 3D Grid Data του Project Explorer φάκελος με το όνομα του αρχείου του Modflow, το οποίο περιέχει τη λύση. Δύο είναι τα βασικά αποτελέσματα μιας απλής εφαρμογής του MODFLOW: 1. Χάρτες υδραυλικών υψών (Σχήμα 6.15) για κάθε περίοδο αλλαγής (stress period), οι οποίοι βρίσκονται στην κατηγορία δεδομένων με τίτλο Head. Με το που επιλέξει ο χρήστης αυτή την ομάδα εμφανίζονται στο Time Step Window οι ημερομηνίες ορόσημο των περιόδων αλλαγής. Μέσα από το μενού Display Options ο χρήστης μπορεί να επιλέξει τη μορφή των αποτελεσμάτων (Color Fill ή Linear), το ισοδιάστημα ή τον αριθμό των γραμμών, το χρώμα τους, τις επιλογές του υπομνήματος κ.α. Μετακινώντας ο χρήστης τον κέρσορα πάνω στην περιοχή μελέτης εμφανίζεται στο Status Bar οι συντεταγμένες, ο αύξων αριθμός της στήλης και της γραμμής του καννάβου και η τιμή του υδραυλικού ύψους. 2. Υδατικό ισοζύγιο του υπόγειου υδροφορέα για κάθε περίοδο αλλαγής (δεξιά στήλη) και το σύνολο της προσομοίωσης (αριστερή στήλη). Το εν λόγω αποτέλεσμα βρίσκεται στο αρχείο *.out (Σχήμα 6.16), στο οποίο καταγράφονται όλα τα δεδομένα εισόδου και τα αποτελέσματα πλην των υδραυλικών υψών. 85

92 Σχήμα 6.15: Χάρτης υδραυλικών υψών με τις ισοπιεζομετρικές γραμμές σε χρωματική κλίμακα. 86

93 Σχήμα 6.16: Υδατικό ισοζύγιο του υπόγειου υδροφορέα για το τέλος της περιόδου προσομοίωσής του. Ρύθμιση του μοντέλου Σε αυτό το σημείο είναι απαραίτητο να τονισθεί ότι σημαντικό μέρος κάθε προσομοίωσης υπόγειων νερών αποτελεί η εργασία ρύθμισης του μοντέλου (Model Calibration), η οποία και διασφαλίζει την επιτυχή προσομοίωση της συμπεριφοράς του υδροφορέα. Πρόκειται για μια διαδικασία κατά την οποία ορισμένες από τις παραμέτρους του μοντέλου, όπως π.χ η επαναφόρτιση, η υδραυλική αγωγιμότητα, κ.α. τροποποιούνται συστηματικά και το μοντέλο επαναπροσδιορίζεται συνεχώς, έως ότου η υπολογισμένη λύση συγκλίνει με τις παρατηρημένες τιμές του πεδίου, σε αποδεκτά επίπεδα ακριβείας. H ρύθμιση στοχεύει στη βελτιστοποίηση των παραμέτρων, που υπεισέρχονται στην επίλυση του μοντέλου, ακολουθώντας την ανάστροφη μέθοδο προσέγγισης του προβλήματος (inverse problem), μέσα από μια συνεχή διαδικασία δοκιμής και επανάληψης 87

94 (trial and error). Κάθε φορά όμως που θα τροποποιείται κάποια τιμή από την υπό ρύθμιση παράμετρο θα πρέπει να εκτελείται η εντολή Map To Modflow Modpath και εν συνεχεία η εντολή Run Modflow, ώστε να τρέξει το μοντέλο με τη νέα τιμή. Η εργασία της ρύθμισης στην περίπτωση ενός μοντέλου Modflow, γίνεται αφού έχει πραγματοποιηθεί η εννοιολογική προσέγγιση. Ωστόσο, τα εργαλεία της ρύθμισης στο GMS προορίζονται για γενική χρήση σε οποιοδήποτε μοντέλο. Δύο τύποι δεδομένων παρατήρησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη διαδικασία: παρατηρήσεις σημείων και ροής. Καθορίζονται στο μοντέλο του χάρτη και συσχετίζονται με σημεία, τόξα ή πολύγωνα. Τα σημεία αντιστοιχούν σε πηγάδια παρατήρησης και η αριθμητική τιμή του δεδομένου αντιστοιχεί στο υδραυλικό φορτίο του υδροφορέα στο σημείο αυτό. Οι ροές αναπαρίστανται με γραμμικά ή επιφανειακά στοιχεία, που αντιπροσωπεύουν αντίστοιχα χείμαρρους ή δεξαμενές, όπου η απώλεια ή το κέρδος για τον υδροφορέα αναφορικά με το αντικείμενο έχει μετρηθεί ή εκτιμηθεί (Σχήμα 6.17). Αυτό επιτυγχάνεται με τη δημιουργία νέου coverage στο Project Explorer με όνομα π.χ. Observations και την ενεργοποίηση των εκάστοτε επιλογών της στήλης Observation Points του Coverage Setup. Η εισαγωγή των σημείων και των τιμών παρατήρησης γίνεται με τον ίδιο τρόπο που γίνεται η εισαγωγή των πηγαδιών άντλησης, που είχε παρουσιασθεί παραπάνω. Για κάθε νέα λύση - επιλέγοντας από το 3D Grid Data την ομάδα δεδομένων Head και μετά την ημερομηνία και έχοντας ενεργό από το Map Module το επίπεδο των παρατηρούμενων - τα σφάλματα εμφανίζονται δίπλα στα επί μέρους σημεία παρατήρησης 88

95 του μοντέλου, ως διαφορές μεταξύ υπολογισμένης και παρατηρημένης τιμής, ενώ αποδίδονται στο ίδιο γράφημα και τα όριά τους (Σχήμα 6.18). Σχήμα 6.17: Δείγμα μοντέλου που χρησιμοποιήθηκε για την εργασία της ρύθμισης μοντέλου MODFLOW Σημειακά και γραμμικά στοιχεία. Σχήμα 6.18: Γραφική απεικόνιση σφάλματος με τα όριά του. Για να κατανοηθεί η έννοια του σφάλματος στην περίπτωση του Model Calibration αξίζει να σημειωθούν τα εξής: Κάθε σημείο παρατήρησης (π.χ. πηγάδι) προσδιορίζεται εκτός από τις συντεταγμένες του και από το υδραυλικό φορτίο του (head) και το 89

96 εκτιμώμενο σφάλμα (±) (interval) αυτής της παρατηρημένης τιμής. Επίσης, γνωστή πρέπει να είναι και η τιμή της εμπιστοσύνης που ανταποκρίνεται στην παραπάνω εκτίμηση σφάλματος. Το εκτιμώμενο σφάλμα είναι αυτό που συνήθως χρησιμοποιείται ως στόχος της ρύθμισης (Calibration Target). Η ρύθμιση του μοντέλου επιτυγχάνεται όταν η τιμή φορτίου της λύσης βρίσκεται εντός του πεδίου: [παρατηρημένη τιμή εκτιμώμενο σφάλμα] [παρατηρημένη τιμή + εκτιμώμενο σφάλμα] Το πρόγραμμα διαθέτει εκτός των άλλων και επιλογές γραφικής απόδοσης στατιστικών στοιχείων μέσω της εντολής Edit Data Set Calculator. Ενδιαφέρον παρουσιάζουν εδώ τα γραφήματα που δείχνουν την πορεία της εργασίας της ρύθμισης και τη σύγκριση μεταξύ υπολογισμένων και καταγεγραμμένων τιμών, με βάση το αποδεκτό εύρος σφάλματος (Σχήμα 6.19). Σχήμα 6.19: Γραφήματα με εμφάνιση στατιστικών υπολογισμών. 90

97 Σε πολλές περιπτώσεις η ρύθμιση του μοντέλου επιτυγχάνεται γρηγορότερα με την εφαρμογή της αυτόματης εκτίμησης παραμέτρων ή αλλιώς με τη χρήση αντίστροφων μοντέλων. Το αντίστροφο μοντέλο είναι μία εσωτερική διαδικασία ή ένα εξωτερικό πρόγραμμα, που αυτοματοποιεί την εργασία της εκτίμησης των παραμέτρων, διότι συστηματικά προσαρμόζει μια ομάδα παραμέτρων εισόδου -καθορισμένων από το χρήστηωσότου η διαφορά μεταξύ των υπολογισμένων και των παρατηρημένων τιμών να ελαχιστοποιηθεί. Οι επιλογές που δίνει το GMS είναι τρεις: MODFLOW 2000 PES process, PEST και UCODE. 91

98 92

99 Κεφάλαιο 7 LAK3 7.1 Εισαγωγή Αυτό το εγχειρίδιο παρουσιάζει τα βήματα που εμπλέκονται στη χρήση του πακέτου Lake(LAK3) ως μέρος της προσομοίωσης MODFLOW. Το πακέτο Lake είναι μια πιο εξελιγμένη εναλλακτική λύση για την τυπική προσέγγιση της χρήσης του Γενικού Πακέτου Head για την προσομοίωση των αλληλεπιδράσεων λίμνης και υδροφορέα. Συγκρίνοντας το πακέτο Lake στο πακέτο GHB είναι παρόμοια με τη σύγκριση το πακέτου River στο πακέτο Stream. Με το πακέτο GHB, ο χρήστης καθορίζει το στάδιο της λίμνης και το MODFLOW υπολογίζει τη ροή που απαιτείται για να διατηρήσει αυτό το στάδιο, δεδομένου πως υπάρχουν απώλειες καθώς το νερό ρέει μέσα από τα ιζήματα του πυθμένα της λίμνης. Με το πακέτο Lake, το στάδιο της λίμνης υπολογίζεται από το MODFLOW με βάση το ισοζύγιο του νερού. Το ισοζύγιο είναι συνάρτηση των εισροών / εκροών που συμβαίνουν από τις διαφορές μεταξύ του υδροφόρου ορίζοντα και της λίμνης. Ο προϋπολογισμός της ροής περιλαμβάνει επίσης την επίδραση επαναφόρτισης, εξάτμιση, καθώς και ανθρωπογενείς εισροές και απολήψεις. Η χωρητικότητα αποθήκευσης της λίμνης καθορίζεται αυτόματα με βάση τη γεωμετρία της λίμνης. Το πακέτο Lake μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε για σταθερή κατάσταση ή για μεταβλητές συνθήκες. Το πακέτο Lake αντιπροσωπεύει μια λίμνη χρησιμοποιώντας ένα σύνολο ανενεργών κελιών όπως φαίνεται 93

100 στο Σχήμα 7.1. Τα μπλε κελιά αντιστοιχούν στη λίμνη και έχουν μια αξία IBOUND μηδέν (τα κελιά είναι "Ανενεργά"). Ο Καθορισμός της λίμνης με αυτό τον τρόπο επιτρέπει τη λίμνη να αλληλεπιδρά με τα χαμηλότερα στρώματα και επιτρέπει την πλευρική εισροή στη λίμνη. Σχήμα 7.1: Διακριτοποίηση των κελιών από το πακέτο Lake (Από Merritt, L.M. and Konikow) Η λίμνη είναι επίσης πιθανόν να έχει ιζήματα στον πυθμένα που επηρεάζουν τη ροή μεταξύ του υδροφόρου ορίζοντα και της λίμνης. Η επίδραση των ιζημάτων παρουσιάζεται με τον όρο Lakebed leakance που περιλαμβάνει το πάχος και την υδραυλική αγωγιμότητα. Η ροή από τον υδροφόρο ορίζοντα στη λίμνη είναι συνάρτηση τόσο του lakebed leakance όσο και της αγωγιμότητας των κελιών του υδροφόρου ορίζοντα δίπλα στην λίμνη. Το 94

101 πακέτο Lake περιλαμβάνει μια επιλογή για την προσομοίωση "sublakes". Η επιλογή αυτή καθιστά δυνατή τη λίμνη να στεγανοποιηθεί σε μικρότερες όσο το στάδιο της λίμνης πέφτει. Η γενική επίλυση μπορεί να παρουσιαστεί σχηματικώς ως εξής: 1. Ανοίξτε ένα αρχείο που περιέχει μια βαθμονομημένη προσομοίωση MODFLOWτων υπόγειων υδάτων που ρέουν στην περιοχή γύρω από το προτεινόμενο χώρο μελέτης. 2. Ενεργοποιήστε την επιλογή Lake Package. 3. καθορίστε τις μεταβολές του πυθμένα της λίμνης με ΤIΝ 4. Ορίστε την θέση της λίμνης χρησιμοποιώντας ένα πολύγωνο στο χάρτη Module. 5. Ορίστε ένα σύνολο ιδιοτήτων λίμνης με το πολύγωνο λίμνης στο χάρτη Module, συμπεριλαμβανομένων ένα "ποσοστό απόληψης"που αντιπροσωπεύει το ρυθμό άντλησης που χρησιμοποιείται από τα πηγάδια αντλησης 6. Χρησιμοποιήστε την εντολή( Map-->MODFLOW) για να διακριτοποιήσετε τα δεδομένα στη λίμνη(από το πολύγωνο στα κελιά). 7. Τρέξτε την προσομοίωση MODFLOW. 8. Διαβάστε τη λύση και εξετάστε το προκύπτον στάδιο της λίμνης. Ξεκινώντας Εάν είναι απαραίτητο, να ξεκινήσει το GMS. Αν το GMS εκτελείται ήδη, επιλέξτε File New command για να διασφαλιστεί ότι οι ρυθμίσεις του προγράμματος επανήλθαν στην προεπιλεγμένη κατάσταση. 95

102 7.2 Διαβάζοντας το μοντέλο MODFLOW Καταρχάς, θα διαβάσουμε ένα αρχείο που περιέχει μια προηγουμένως ολοκληρωμένο μοντέλο MODFLOW της τοποθεσίας 1. Επιλέξτε το κουμπί Open. 2. Εντοπίστε και ανοίξτε τον κατάλογο με τίτλο tutfiles\modflow\modflake. 3. Ανοίξτε το αρχείο με το όνομα start.gpr. Θα πρέπει να δείτε μια σειρά από καμπύλες στο δίκτυο. Αυτές οι καμπύλες αντιπροσωπεύουν την υπολογισμένη προσομοίωση MODFLOW. 7.3 Αποθήκευση ενός αντιγράφου του προβλήματος Πριν συνεχίσετε, θα αποθηκεύσετε ένα αντίγραφο του προβλήματος με διαφορετικό όνομα. 1. Επιλέξτε από το File Save As αρχείο 2. Αποθηκεύστε το έργο με το όνομα και κατάληξη.gpr. Όπως θα δούμε στη συνέχεια, μπορεί να θέλετε να επιλέξετε περιοδικά στο κουμπί Save να αποθηκεύσετε τις αλλαγές σας. 7.4 Ενεργοποίηση του πακέτου Lake MODFLOW. Στη συνέχεια, θα ενεργοποιήσετε την επιλογή Lake Package στο περιβάλλον 96

103 1. Επιλέξτε το μενού επιλογών MODFLOW Global Options. 2. Επιλέξτε το κουμπί Packages. 3. Ενεργοποιήστε την επιλογή Lake (LAK3). 4. Επιλέξτε το κουμπί OK δύο φορές για να βγείτε από τα δύο παράθυρα διαλόγου. 7.5 Δημιουργία του Lake Coverage Ο ευκολότερος τρόπος για να δημιουργήσουμε δεδομένα Lake Package σε GMS είναι να χρησιμοποιήσουμε εννοιολογικά εργαλεία μοντελοποίησης στο MapModule. Αυτό μας επιτρέπει να ορίσουμε το όρια της περιοχής μελέτης, χρησιμοποιώντας ένα πολύγωνο και να καθοριστεί η γεωμετρία της περιοχής και τυχόν μεταβολές της (οι αυξήσεις) ΙΤIΝ. Καταρχάς, πρέπει να δημιουργήσουμε μια κάλυψη (coverage) για το Lake polygon: 1. Στo Project Explorer, αναπτύξτε το φάκελο Map Data χάρτη αν είναι απαραίτητο. 2. Κάντε δεξί κλικ στο Conc. Mod στοιχείο της ενότητας Map Data του Project Explorer και επιλέξτε New Coverage... στο αναδυόμενο μενού που εμφανίζεται. 3. Στο παράθυρο διαλόγου Coverage Setup, αλλάξτε το όνομα Κάλυψη σε λίμνη (lake). 4. Στην κατηγορία του Source/Sink BC s, μετακινηθείτε προς τα κάτω και να ενεργοποιήσετε την εναλλαγή από τη Lake επιλογή. 5. Απενεργοποιήστε το Use to define model boundary. 6. Κάντε κλικ στο ΟΚ για να κλείσετε το παράθυρο διαλόγου. 97

104 7.6 Εισαγωγή στο Lake Polygon Στη συνέχεια, πρέπει να δημιουργήσουμε ένα πολύγωνο που αντιπροσωπεύει το όριο της περιοχής μελέτης. Για να το κάνετε αυτό, θα εισάγετε ένα shapefile. 7. Επιλέξτε από το μενού File Open 8. Στο πλαίσιο Files of typeστο κάτω μέρος του διαλόγου, επιλέξτε την επιλογή Shapefiles (*.Shp). 9. Επιλέξτε το αρχείο με το όνομα ergo.shp. Σε αυτό το σημείο, ένα νέο στοιχείο που ονομάζεται στρώματα (layers) GISθα πρέπει να εμφανίζονται στο Project Explorer. Από κάτω, θα πρέπει να δείτε ένα στρώμα που ονομάζεται ergo.shp. Είναι πίσω από το δίκτυο έτσι ώστε να καλύπτεται μερικώς. Για να δείτε το πολύγωνο καλύτερα: 10. Απενεργοποιήστε το 3D Grid Data στο Project Explorer. 11. Απενεργοποιήστε το Map Data στο Project Explorer. Θα πρέπει να δείτε τώρα το πολύγωνο να εμφανίζεται με μια μαύρη γραμμή. Για να χρησιμοποιήσετε αυτό το πολύγωνο στο εννοιολογικό μοντέλο μας, πρέπει να το μετατρέψει από ένα shapefileσε ένα αντικείμενο χαρακτηριστικό GMS στο LakeCoverage. Για να μετατρέψετε το πολύγωνο: 12. Κάντε κλικ στο στοιχείο GIS Layers στο Project Explorer. 13. Επιλέξτε το GIS Shapes-->Feature Objects 98

105 14. Επιλέξτε Yes στην προτροπή να χρησιμοποιήσουν όλα τα σχήματα. 15. Επιλέξτε το κουμπί Next για να ξεκινήσει τo GIS to Feature Objects Wizard 16. Κάντε κλικ στο κουμπί Next και πάλι για να παραλείψετε αυτό το βήμα (δεν υπάρχουν χαρακτηριστικά με το shapefile). 17. Κάντε κλικ στο κουμπί Finish για να ολοκληρώσετε τη διαδικασία. Σημειώστε ότι η εντολή Shapes? ᅡᅠ Feature Objects προσθέτει ένα νέο χαρακτηριστικό αντικείμενο στην ενεργή κάλυψη (coverage). Δεδομένου ότι η κάλυψη της λίμνης είναι ενεργή, το πολύγωνο του έργου θα πρέπει να έχουν προστεθεί στο Lake coverage. Για να επιβεβαιώσετε, κάντε τα εξής: 18. Απενεργοποιήστε τα GIS layers στο φάκελο Project Explorer. 19. Ενεργοποιήστε το φάκελο Lake coverage στο Project Explorer. Δεδομένου ότι η λίμνη είναι ακόμη ορατή, βλέπουμε τώρα το πολύγωνο στο Lake coverage. 7.7 Ρύθμιση του Lake TIN Πριν μπούμε τις ιδιότητες της λίμνης, θα πρέπει να δημιουργήσετε ένα ΤΙΝ που αντιπροσωπεύει τη γεωμετρία (μεταβολές) του πυθμένα. Αυτό το ΤΙΝ χρησιμοποιείται κατά τη διάρκεια του Map->MODFLOW διαδικασία για να σηματοδοτήσει τα κύτταρα της λίμνης και να εκχωρήσετε τις κατάλληλες αυξήσεις στα στρώματα των κελιών στο MODFLOW πλέγμα στην περιοχή μελέτης. Για να δημιουργήσετε το ΤΙΝ,πρώτα από το όριο 99

106 του πολύγωνου του έργου και στη συνέχεια θα παρεμβάλει το αυξήσεις στο TIN από ένα σύνολο σημείο διασποράς. Για την κατασκευή του ΤΙΝ: 1. Επιλέξτε το lake coverage στο Project Explorer 2. Επιλέξτε την Εντολή Feature Objects Map? TIN 3. Αλλάξτε το όνομα τουτιν σε ergo bottom. 4. Επιλέξτε το κουμπί OK. Σε αυτό το σημείο, θα δείτε να εμφανίζεται ένα νέο TIN. Η πυκνότητα των τριγώνων του είναι μια συνάρτηση της απόστασης της κορυφής από τα τόξα της οριοθέτησης του πολυγώνου. Εάν είναι απαραίτητο, η απόσταση μπορεί να ρυθμιστεί χρησιμοποιώντας την εντολή RedistributeVertices. Για να παρεμβάλλουμε τις αυξήσεις: 5. Αναπτύξτε το2d Scatter Data στο Project Explorer, αν είναι απαραίτητο. 6. Κάντε δεξί κλικ στο excavation 2d scatter στο Project Explorer και επιλέξτε την εντολή Interpolate To ActiveTIN. 7. Αλλάξτε το Interpolated data set name σε elevations και επιλέξτε το κουμπί OK. Θα πρέπει να δείτε κάποια περιγράμματα να εμφανίζονται στο TIΝ. Πριν συνεχίσουμε,δείτε το TIΝ σε πλάγια, προκειμένου να επιβεβαιωθούν τα αποτελέσματα παρεμβολής. 8. Κάντε κλικ στο κουμπί Ortho/General Mode στο επάνω μέρος του παραθύρου GMS μεταβείτε σε λειτουργία Genera ViewingMode. 9. Κάντε κλικ στο κουμπί Oblique View. 100

107 Σε αυτό το σημείο, μπορεί να θέλετε να χρησιμοποιήσετε το ζουμ και την περιστροφήγια να δείτε το σχήμα του έργου σε 3D. Όταν τελειώσετε: 10. Κάντε κλικ στο κουμπί Plan View. 11. Κάντε κλικ στο κουμπί Ortho /General Mode για να επιστρέψετε στην Ortho Viewing Mode. Χρησιμοποιώντας την εντολή( Map-->MODFLOW) δεδομένων στη λίμνη(από το πολύγωνο στα κελιά). γίνετε διακριτοποίηση των 1. Ενεργοποιήστε την επιλογή 3D Grid Data στο Project Explorer 2. Απενεργοποιήστε το mine bottom TIN στο Project Explorer 3. Επιλέγετε το Feature Objects Map MODFLOW 4. Επιλέγετε το κουμπί OK. Για να εκτελέσετε το MODFLOW: 1. Επιλέξτε την εντολή MODFLOW Run MODFLOW. 2. Επιλέξτε OK στην γραμμή εντολών, αν εμφανίζεται. 3. Όταν η προσομοίωση τελειώσει, κλείστε το παράθυρο και επιστρέψτε στο GMS. Η επίλυση εισάγεται αυτόματα. 101

108 102

109 Κεφάλαιο 8 MT3D 8.1 Εισαγωγή Η προσομοίωση της κίνησης των ρύπων και επομένως της ποιότητας του υπόγειου νερού έγινε με το μοντέλο ανοιχτού κώδικα MT3DMS. Πρόκειται για ένα τρισδιάστατο μοντέλο μεταφοράς των ρύπων το οποίο προσομοιώνει τη μεταφορά, τη διάχυση, την ανάμειξη και τις χημικές διεργασίες των διαλυμένων συστατικών του υπόγειου νερού. Η δομή του είναι παρόμοια με αυτή του MODFLOW και χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με αυτή. Η ροή από κελί σε κελί καθώς και ο καθορισμός του υδραυλικού ύψους υπολογίζεται από το MODFLOW και αποθηκεύεται σε συγκεκριμένο αρχείο. Το αρχείο αυτό διαβάζεται από το MT3DMS και υπολογίζεται ως το πεδίο ροής για την προσομοίωση της κίνησης του ρύπου. Το εγχειρίδιο περιγράφει πως εκτελείται η προσομοίωση του MT3DMS στο GMS. Ένα MT3DMS μοντέλο μπορεί να κατασκευαστεί στο GMS χρησιμοποιώντας μία από τις δύο μεθόδους: τη μέθοδο του εννοιολογικού μοντέλου ( Conceptual Model Approach) ή του καννάβου (Grid Approach). Με τη μέθοδο του εννοιολογικού μοντέλου, οι πηγές και οι ζώνες στο μοντέλο προσδιορίζονται μέσω του GIS και αυτόματα χωροθετούνται στο κάνναβο. Ενώ στη μέθοδο του καννάβου, οι τιμές ορίζονται χειροκίνητα στον κάνναβο. Γενικά η μέθοδος του εννοιολογικού μοντέλου προτιμάται για μεγάλα ολοκληρωμένα 103

110 μοντέλα ενώ απλά μοντέλα μπορούν εύκολα να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας τη μέθοδο του καννάβου. Στο εγχειρίδιο αυτό παρουσιάζονται και οι δύο μέθοδοι. 8.2 Μέθοδος Κανάβου (Grid Approach) Η γενική επίλυση μέσω του Καννάβου μπορεί να παρουσιαστεί σχηματικώς ως εξής: 1. Ανοίγετε ένα αρχείο MODFLOW. 2. Προετοιμάζετε το MT3D και εισάγετε τα δεδομένα για διάφορα MT3D πακέτα. 3. Επιλύετε το MT3D και διαβάζεται η λύση. 4. Γίνετε εγκατάσταση του γραφήματος για να αναπαρασταθεί η λύση. 5. Τέλος Υπολογίζεται η μάζα της πρόσμειξης. Παράδειγμα επίλυσης: Εκκίνηση Επιλέγετε το GMS. Αν το GMS ήδη τρέχει, επιλέγετε από το File το New ώστε να δοθεί η εντολή για να αλλάξουν οι προεπιλεγμένες ρυθμίσεις του προγράμματος. Μοντέλο Ροής Πριν την εγκατάσταση της προσομοίωση του MT3DMS, χρειάζεται να υπάρχει μία προσομοίωση MODFLOW. Η λύση MODFLOW χρησιμοποιείται ως το πεδίο ροής για την προσομοίωση μεταφοράς. 104

111 1. Επιλέγετε το κουμπί Open 2. Εντοπίστε και ανοίξτε τη διεύθυνση με τίτλο tutfiles\mt3dgrid. 3. Ανοίγετε το αρχείο με τίτλο flowmod.gpr. Αποθηκεύεται η προσομοίωση με άλλο όνομα. Θα επιλυθεί το MODFLOW με το νέο όνομα. Διαφορετικά, όταν το MT3D τρέχει θα προσπαθεί να βρει αρχεία επίλυσης με νέο όνομα και δεν θα τα βρίσκει. 4. Επιλέγετε η εντολή αποθήκευσης ως (File Save as ) 5. Εντοπίζετε και ανοίγετε τη διεύθυνση με τίτλο tutfiles\mt3dgrid. 6. Αποθηκεύετε το project με το όνομα transport.gpr. 7. Επιλέγετε το 3D Grid Data φάκελο από το Project Explorer. 8. Κλικάρετε το κουμπί Run MODFLOW 9. Όταν ολοκληρωθεί η επίλυση, επιλέγετε το κουμπί Close. Στήσιμο του Μοντέλου Μεταφοράς Αρχικώς απαιτείτε η προετοιμασία της προσομοίωσης του MT3DMS. 1. Επιλέγετε την εντολή Edit Model Interfaces. 2. Ενεργοποιείτε από την Models to use in project τα μοντέλα που θα χρησιμοποιηθούν MT3D RT3D SEAM3D 3. Επιλέγετε το κουμπί OK. 105

112 4. Επιλέγετε την εντολή New Simulation από το MT3D. Στο MT3DMS ως βασικό πακέτο μεταφοράς απαιτείται ο ορισμός βασικές πληροφοριών όπως περιόδου πίεσης, ενεργές/μη ενεργές περιοχές και αρχικές τιμές συγκέντρωσης. Το MT3DMS μπορεί και προσομοιώνει την μεταφορά πολλών ρύπων καθώς και πλήθος διεργασιών. Για τα παραπάνω απαιτείται η επιλογή του κάθε ρύπου καθώς και της φυσικής/χημικής διεργασίας που απαιτείται στην προσομοίωση. 1. Επιλέγετε το κουμπί Define Species. 2. Επιλέγετε το κουμπί New 3. Επιλέγετε η μετονομασία σε tracer. 4. Επιλέγετε το κουμπί OK. 5. Επιλέγετε το κουμπί Packages. 6. Ενεργοποιείτε τα πακέτα: Advection Package Dispersion Package Source/Sink Mixing Package 7. Επιλέγετε το κουμπί OK. Ορίζεται η Περίοδος προσομοίωσης( Stress Period ). Σε αυτό το πρόβλημα παρουσιάζεται η επίλυση για σταθερές συνθήκες ροής και μεταβλητής μεταφοράς και για χρονική περίοδο ενός έτους. 106

113 1. Επιλέγετε το κουμπί Stress Periods. 2. Ορίζετε το το πεδίο Length σε Επιβεβαιώνετε ότι η τιμή στο Trans. step size είναι 0.0. Η τιμή μηδέν σηματοδοτεί ότι το MT3DMS θα υπολογίσει αυτόματα το κατάλληλο μέγεθος βήματος μεταφοράς. 4. Επιλέγετε το κουμπί OK για να βγείτε το διάλογο Stress Periods. Επίσης γίνετε ο ορισμός των δεδομένων εξόδου ως εξής: 1. Επιλέγετε το κουμπί Output Control 2. Επιλέγετε την επιλογή Print or save at specified interval. 3. Ορίζετε το προεπιλεγμένο διάστημα. Π.χ αν είναι ίση με 10. Αυτό θα εξάγει μία λύση σε κάθε δέκατο βήμα μεταφοράς. 4. Επιλέγετε το κουμπί ΟΚ για να βγείτε από διάλογο Output Control. ICBUND Array: Το ICBUND Αrray είναι παρόμοιο με το IBOUND Αrray στο MODFLOW. Χρησιμοποιείται για να οριστούν τα ενεργά κελιά μεταφοράς (ICBUND>0), να απενεργοποιηθούν κελιά μεταφοράς (ICBUND=0), και να σταθεροποιηθεί η συγκέντρωση των κελιών (ICBUND<0). Starting Concentration Array: Ορίζεται το επίπεδο συγκέντρωσης array για την αρχική συνθήκη. 107

114 HTOP and Thickness Arrays: Το MT3DMS χρησιμοποιεί το HTOP array και το Thickness array για να καθορίσει τη γεωμετρία. Ωστόσο, οι τιμές για τα παραπάνω έχουν καθοριστεί από το GMS αυτόματα από τα δεδομένα εισόδου του MODFLOW και δε χρειάζεται εισαγωγή αυτών. Porosity Array: Επιπλέον απαιτείτε ο ορισμός του πορώδους. Ο ορισμός της διάχυσης γίνεται ως εξής: 1. Επιλέγετε την εντολή MT3D Dispersion Package. 2. Επιλέγετε το κουμπί Longitudinal Dispers 3. Επιλέγετε την επιλογή Constant Grid 4. Εισάγετε την τιμή.. και κάντε κλικ ΟΚ. 5. Επιλέγετε το κουμπί ΟΚ για να βγείτε από το διάλογο Longitudinal Dispersivity. 6. Εισάγετε την τιμή... για την παράμετρο TRPT. 7. Επιλέγετε το κουμπί ΟΚ για να βγείτε από το διάλογο Dispersion Package. Αντίστοιχα γίνετε και η παραμετροποίηση για την ανάμειξη καθώς και των χημικών διεργασιών. 1. Επιλέγετε την εντολή MT3D Point Sources/Sinks. 2. Επιλέγετε Toggle on στην επιλογή Well για το αντίστοιχο κελί Cell 3. Εισάγετε την τιμή για τη συγκέντρωση. 108

115 4. Επιλέγετε το κουμπί ΟΚ. 5. Κλικάρετε έξω από το κάνναβο για να αποεπιλέξετε το κελί. Αποθήκευση και επίλυση του MT3DMS. 1. Επιλέγετε το κουμπί αποθήκευσης Save 2. Επιλέξτε το κουμπί Run MT3D 3. Όταν ολοκληρωθεί η επίλυση, επιλέγετε το κουμπί Close. Στο MT3DMS δίνεται η δυνατότητα τόσο της αλλαγής στο περίγραμμα των αναπαραστάσεων με την εντολή Contour method όσο και η δυνατότητα αναπαράστασης των αποτελεσμάτων μέσω κινούμενων αναπαραστάσεων (animation). Συγκεκριμένα η αναπαράσταση των αποτελεσμάτων ως προς το χρόνο γίνετε: 1. Επιλέγετε ε την εντολή Display Animate. 2. Βεβαιωθείτε ότι η επιλογή Data set είναι ενεργή και κλικάρετε Next. 3. Ανοίγετε την επιλογή Display clock. 4. Επιλέγετε την επιλογή Use constant interval και αλλάζετε το Time interval 5. Επιλέγετε το κουμπί Finish. 6. Αφού δείτε την κινούμενη εικόνα, επιλέξτε το κουμπί Stop για να σταματήσετε την κινούμενη εικόνα. 109

116 Τέλος ο υπολογισμός της μάζας πρόσμειξης γίνετε ακολούθως: 1. Επιλέγετε το Select Cells 2. Επιλέγετε το κελί που περιέχει το φρεάτιο στο χαμηλότερο τμήμα του μοντέλου. 3. Επιλέγετε την εντολή MT3D Calculate Mass. Η παραπάνω επιλογή επιτρέπει στο χρήστη να υπολογίσει τη μάζα της πρόσμιξης τόσο σε ολόκληρο το μοντέλο όσο και σε επιλεγμένα κελιά. Ο προσδιορισμός εξηγείτε μέσω της εξισώσεως που χρησιμοποιείται για να υπολογίσει τη μάζα. Βασικά, ο όγκος του νερού σε κάθε κελί υπολογίζεται και μετά πολλαπλασιάζεται με τη συγκέντρωση που έχει υπολογιστεί από το MT3D. Ο χρήστης πρέπει να επιλέξει μονάδες τις μονάδες ούτως ώστε η υπολογισμένη τιμή να αντιπροσωπεύεται από τις σωστές μονάδες. 4. Στο τομέα Concentration range section, ανοίγετε το toggle Specify range in calculation. 5. Εισάγετε για το Min και για το Max 6. Στον τομέα Unit conversion factor, εισάγετε για το ώστε το αποτέλεσμα της μάζας να είναι σε μονάδες γραμμαρίων. 7. Επιλέγετε την επιλογή Use only selected cells in calculation κοντά στο κουμπί του διαλόγου. 8. Επιλέγετετο κουμπί Calculate. Οι τιμές της μάζας εμφανίζονται στο φύλλο στη δεξιά πλευρά του διαλόγου. 9. Επιλέγετε την επιλογή Use all cells in calculation. 110

117 10. Επιλέγετε το κουμπί Calculate ξανά 11. Όταν θα έχετε σταματήσει να βλέπετε τα αποτελέσματα επιλέξτε Done για να κλείσετε το διάλογο. 8.3 Μέθοδος Εννοιολογικού Μοντέλου Η γενική επίλυση μέσω του σχηματικώς ως εξής: Εννοιολογικού Μοντέλου μπορεί να παρουσιαστεί 1. Ανοίξτε το μοντέλο MODFLOW και τη λύση. 2. Ορίστε τις προϋποθέσεις για τη προσομοίωση MT3DMS. 3. Μετατρέψτε το θεωρητικό μοντέλο σε MT3DMS. 4. Εκτελέστε το MODFLOW και μετά εκτελέστε το MT3DMS. 5. Δημιουργήστε μια κινούμενη εικόνα. 6. Ορίστε επιπλέον παραμέτρους και εκτελέστε ξανά το MT3DMS. 7. Δημιουργείστε ένα σχέδιο χρονοσειράς. Εκκίνηση Επιλέγετε το GMS. Αν το GMS ήδη τρέχει, επιλέγετε από το File το New ώστε να δοθεί η εντολή για να αλλάξουν οι προεπιλεγμένες ρυθμίσεις του προγράμματος. 1. Επιλέγετε το κουμπί Open. 111

118 2. Εντοπίστε και ανοίξτε τον κατάλογο με τίτλο tutfiles\modflow\modfmap\sample. 3. Ανοίξτε το αρχείο με τίτλο modfmap.gp Καθορισμός των μονάδων Αρχικά, ορίζονται οι μονάδες. Δεν γίνετε αλλαγή στο μήκος και τις μονάδες χρόνου ώστε να είναι συνεπής με το μοντέλο ροής. Ωστόσο, χρειάζεται να ορίστουν οι μονάδες για τη μάζα και τη συγκέντρωση. 1. Επιλέξτε την εντολή Edit Units. 2. Επιλέξτε kg για τις μονάδες τις μάζας. 3. Επιλέξτε ppm για τις μονάδες της συγκέντρωσης. 4. Επιλέξτε το κουμπί OK. Αρχικώς απαιτείτε η προετοιμασία της προσομοίωσης του MT3DMS. 1. Επιλέξτε την εντολή Edit Model Interfaces. 2. Ενεργοποιήστε την εναλλαγή MT3DMS RT3D SEAM3D. 3. Επιλέξτε ΟΚ για να κλείσετε το παράθυρο. 4. Τώρα, επιλέξτε την εντολή MT3D New Simulation. Προσδιορισμός της διεργασίας που θα προσομοιωθεί. 112

119 1. Επιλέξτε το κουμπί Define Species. 2. Επιλέξτε το κουμπί New και αλλάξτε το όνομα του είδους σε leachate. 3. Επιλέξτε το κουμπί ΟΚ για να επιστρέψετε στο παράθυρο διαλόγου Basic Transport Package. Ορίζεται η Περίοδος προσομοίωσης( Stress Period ). 1. Επιλέξτε το κουμπί Stress Periods. Δεδομένου ότι η επίλυση της ροής υπολογίζεται απο το MODFLOW είναι μια σταθερή κατάσταση, μπορεί να οριστεί ελεύθερα ακολουθία της περιόδου πίεσης και των χρονικών βημάτων που επιθυμούμε. Εισάγετε το μήκος της περιόδου πίεσης (δηλαδή, το μήκος της προσομοίωσης) και το MT3DMS να υπολογίσει το ppropriate transport time step length αφήνοντας το μέγεθος του βήματος μεταφοράς στο μηδέν. 2. Εισάγετε... για το μήκος της περιόδους πίεσης (ημέρες). 3. Εισάγετε... για τα μέγιστα βήματα μεταφοράς. 4. Επιλέξτε το κουμπί ΟΚ για να κλείσετε το παράθυρο Stress Periods. Ο ορισμός των δεδομένων εξόδου,γίνετε ως εξής: 1. Επιλέξτε το κουμπί Output Control. 2. Επιλέξτε το Print or save σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές. 3. Επιλέξτε το κουμπί Times. 113

120 4. Επιλέξτε το κουμπί Initialize Values. 5. Εισάγετε τις ακόλουθες τιμές: Initial time step size:... Bias:... Maximum time step size:... Maximum simulation time: Επιλέξτε το κουμπί ΟΚ τρεις φορές για να επιστρέψετε στο παράθυρο διαλόγου Basic Transport Package. Επιλογή των διεργασιών: 1. Επιλέξτε το κουμπί Packages. 2. Ενεργοποιήστε τα ακόλουθα πακέτα: Advection package Dispersion package Source/Sink Mixing package Transport observation package 7. Επιλέξτε το κουμπί ΟΚ. 8. Επιλέξτε το κουμπί ΟΚ για να βγείτε απο το παράθυρο διαλόγου Basic Transport Package 114

121 Το MT3DMS απαιτεί ότι το πορώδες και ο συντελεστής διασποράς να είναι ορισμένοι για κάθε ένα κελί στον κάνναβο. Ενώ, αυτές οι τιμές μπορούν να αποδοθούν άμεσα στα κελιά, μερικές φορές είναι πιο εύκολο να εισάγονται οι παραμέτροι χρησιμοποιώντας πολυγωνικές ζώνες καθορισμένες στο εννιολογικό μοντέλο. Οι παράμετροι μετατρέπονται σε κελιά καννάβου χρησιμοποιώντας την εντολή Map ---> MT3DMS. Παραμετροποίηση της μεταφοράς 1. Στο Project Explorer, δεξί κλικ στο ΤΡΕΧΟΝ ΠΡΟΒΛΗΜΑ του εννιολογικού μοντέλου και επιλέξτε την εντολή Properties από το αναδυόμενο μενού. 2. Ενεργοποιήστε το Transport και βεβαιωθείτε ότι το MT3DMS είναι επιλεγμένο ως Transport model. 3. Πατήστε το κουμπί Define Species. 4. Πατήστε το κουμπί New για να δημιουργήσετε νέο είδος. Αλλάξτε το όνομα του είδους σε leachate και πατήστε ΟΚ. 5. Πατήστε το κουμπί ΟΚ για έξοδο από το παράθυρο διαλόγου Conceptual Model Properties. 6. Επεκτείνεται το εννοιολογικό μοντέλο ΤΡΕΧΟΝ ΠΡΟΒΛΗΜΑ εαν είναι απαραίτητο για να δείτε τις καλύψεις κάτω από αυτό. 7. Στο Project Explorer, κάντε δεξί κλικ στο Layer 1 και επιλέξτε την εντολή Coverage Setup από το αναδυόμενο μενού. 115

122 8. Στη λίστα της Areal Properties, ενεργοποιήστε τα εξής: πορώδες Long. Dispersivity 9. Πατήστε ΟΚ. 10.Επαναλάβετε τα βήματα 7 9 και για το Layer 2. Παραμετροποίηση των πολυγώνων 1. Δημιουργήστε ένα Layer 1 στην ενεργή κάλυψη επιλέγοντας το στο Project Explorer. 2. Επιλέξτε το Select Polygons tool. 3. Κάντε διπλό κλικ στο layer polygon 4. Για το πορώδες εισάγετε μια τιμή Για Long. Disp. εισάγετε μια τιμή Επιλέξτε το κουμπί OK. Για να ορίσετε τις τιμές στο layer 2: 7. Δημιουργήστε ένα Layer 2, επιλέγοντας το στο Project Explorer. 8. Κάντε διπλό κλικ στο layer polygon 9. Για το πορώδες εισάγετε μια τιμή

123 10. Για Long. Disp. εισάγετε μια τιμή Επιλέξτε το κουμπί OK. 12. Κάντε κλικ οπουδήποτε έξω από το μοντέλο για να αποεπιλέξετε το επιλεγμένο πολύγωνο. Ο εμπλουτισμός στη προσομοίωση ορίζεται ως εξής: 13. Στην Project Explorer, κάντε δεξί κλικ στο Recharge coverage και επιλέξτε την εντολή Coverage Setup από το αναδυόμενο μενού. 14. Από τη λίστα των Areal Properties, ενεργοποιήστε το Recharge conc. και κάντε κλικ στο OK. 15. Κάντε Recharge την ενεργή κάλυψη επιλέγοντάς το στο Project Explorer. 16. Κάντε διπλό κλικ στο πολύγωνο υγειονομικής ταφής. 17. Για το leachate Recharge conc. εισάγετε μια σταθερή τιμή...για τη συγκέντρωση. 18. Επιλέξτε το κουμπί OK. 19. Κάντε κλικ οπουδήποτε έξω από το μοντέλο για να αποεπιλέξετε το πολύγωνο. H μετατροπή του εννοιολογικού μοντέλου γίνεται: 1. Επιλέξτε την εντολή Feature Objects Map ---> MT3DMS. 2. Βεβαιωθείτε ότι η επιλογή All applicable coverages είναι επιλεγμένη και επιλέξτε ΟΚ κατά τη προτροπή. 117

124 Για να οριστεί η γεωμετρία του υδροφόρου ορίζοντα, στο MT3DMS απαιτείται ένας HTOP πίνακας καθορίζοντας τα ύψη του υδροφορέα. Μια συστοιχία παχους πρέπει να εισαχθεί στη συνέχεια για κάθε στρώμα. Επιπρόσθετα πριν την επίλυση του MT3DMS θα πρέπει να προσδιοριστούν κάποιες διεργασίες. Γίνεται επιλογή λυτών που επιλύουν τις διεργασίες.π.χ για τη μεταφορά χρησιμοποιήσουμε το Third Order TVD (ULTIMATE). Στη συνέχεια, θα εισάγετε τα δεδομένα για το πακέτο Διασποράς. 1. Επιλέξτε την εντολή MT3D Dispersion Package. Οι διαμήκη τιμές αποδόθηκαν αυτόματα από το εννοιολογικό μοντέλο. Το μόνο που χρειάζεται είναι να καθορίστουν τις υπόλοιπες τρεις παραμέτρους. 2. Πληκτρολογήστε μια τιμή... για την παράμετρο TRPT για το Layer 1 και το Layer Πληκτρολογήστε μια τιμή... για την παράμετρο TRPT για το Layer 1 και το Layer Βεβαιωθείτε ότι η αξία της DMCOEF είναι... για τα δύο layers. 5. Επιλέξτε το πλήκτρο ΟΚ για να κλείσετε το παράθυρο διαλόγου Dispersion Package. Η εισαγωγή των δεδομένων παρατήρησης Transport Observation γίνετε: 1. Επιλέξτε την εντολή MT3D Transport Observation Package. 2. Απενεργοποιήστε την επιλογή Compute concentrations at observation points και ενεργοποιήστε την επιλογή Compute mass flux at source/sinks. 118

125 3. Επιλέξτε το πλήκτρο ΟΚ για να κλείσετε το παράθυρο διαλόγου Transport Observation Package. Τέλος, πρέπει να προσδιοριστούν τα δεδομένα για το source/sink mixing package. Οι τιμές αυτές εκχωρούνται αυτόματα στα κατάλληλα κελιά από το εννοιολογικό μοντέλο. Έτσι, τα δεδομένα εισόδου για αυτό το πακέτο είναι πλήρεις. Αποθήκευση και επίλυση του MT3DMS. 1. Επιλέξτε την εντολή File Save As. 2. Εντοπίστε και ανοίξτε τον κατάλογο με τίτλο tutfiles \ mt3dmap. 3. Αποθηκεύστε το project με το όνομα run.gpr. Το MT3D απαιτεί το αρχείο.hff να έχει δημιουργηθεί από MODFLOW. Δεδομένου ότι το project αποθηκεύτηκε σε διαφορετικό φάκελο από εκείνο στο οποίο έτρεξε η προσομοίωση MODFLOW, το αρχείο.hff δεν υπάρχει στη νέα θέση. Πρέπει να εκτελεστεί εκ νέου το MODFLOW έτσι ώστε να αναδημιουργήσει το αρχείο.hff στον τρέχοντα φάκελο. Για να εκτελέσετε το MODFLOW: 1. Επιλέξτε την εντολή MODFLOW Run MODFLOW. 2. Επιλέξτε OK στην γραμμή εντολών, αν εμφανίζεται. 3. Όταν η προσομοίωση τελειώσει, κλείστε το παράθυρο και επιστρέψτε στο GMS. Η επίλυση εισάγεται αυτόματα. 119

126 Για να εκτελέσετε το MT3DMS: 1. Επιλέξτε την εντολή MT3D Run MT3D. 2. Επιλέξτε yes στην γραμμή εντολών για να αποθηκεύσετε τις αλλαγές. 3. Όταν η προσομοίωση τελειώσει, κλείστε το παράθυρο και επιστρέψτε στο GMS. Η επίλυση εισάγεται αυτόματα. Για να δείτε τα αποτελέσματα από το μοντέλο MT3DMS. 1. Ανοίξτε το run1 (MT3DMS) στο Project Explorer και επιλέξτε το σύνολο δεδομένων leachate. 2. Στη λίστα Time Step κάτω από το Project Explorer, επιλέξτε το βήμα της τελευταίας φοράς. 3. Είναι συχνά χρήσιμο να χρησιμοποιήτε την επιλογή χρώματος για γέμισμα των καμπυλων. Για να το κάνετε αυτό: 4. Επιλέξτε την επιλογή Contour specified range ( κοντά στο κουμπί στα αριστερά της πλευράς του διαλόγου) 5. Πληκτρολογήστε 1 για την ελάχιστη τιμή και 130 για τη μέγιστη. 6. Αλλάξτε το Contour Method σε Color fill. 7. Επιλέξτε το πλήκτρο ΟΚ για να κλείσετε το παράθυρο διαλόγου Contour Options. 120

127 Πρέπει τώρα να δείτε μια απεικόνιση των χρωμάτων σκιαγραφήσεις που περιορίζεται στην περιοχή που γειτνιάζει με το χώρο υγειονομικής ταφής. Για να δείτε τη λύση για το στρώμα δύο: 8. Αλλάξτε την οθόνη mini-grid σε layer 2. Για να δείτε τη λύση σε εγκάρσια τομή: 9. Επιλέξτε ένα κελί. 10. Επιλέξτε το πλήκτρο Side View 11. Χρησιμοποιήστε τα βέλη πάνω και κάτω για να δείτε τη λύση κατά μήκος διαφορετικών στηλών. 12. Επιλέξτε το πλήκτρο Plan View όταν τελειώσετε. 13. Επιλέξτε την κάλυψη SourcesSink στο Project Explorer 14. Επιλέξτε το εργαλείο Select Arcs. 15. Επιλέξτε το κατά μήκος του πυθμένα του μοντέλου. Η υπολογιζόμενη μάζα ροής έχει αναφερθεί κατά μήκος του κάτω μέρος του παραθύρου. 121

128 122

129 Κεφάλαιο 9 PCLAKE 9.1 Εγκατάσταση, ρύθμιση και τρέξιμο του μοντέλου Το μοντέλο PCLake περιλαμβάνει ενσωματωμένη τη γλώσσα C++ η οποία καλείται στο πρόγραμμα Excel. Η εγκατάστασή του είναι απλή και γίνεται μέσω αντιγραφής της διεύθυνσης PCLake Osiris στον σκληρό δίσκο. Το μοντέλο ξεκινά πατώντας στο επιθυμητό υπολογιστικό φύλλο (.xls), ή με άνοιγμα του Excel, επιλέγοντας το File- Open (ή ^Ο) και επιλογή του ονόματος του αρχείου. Το υπολογιστικό φύλλο θα πρέπει να βρίσκεται στην «αυθεντική» τοποθεσία, π.χ. στη διεύθυνση PCLake Osiris, δηλαδή μέσα στον φάκελο που έχει ως ονομασία την έκδοση του PCLake, αλλιώς το μοντέλο δεν μπορεί να βρει τις βιβλιοθήκες Osiris που είναι απαραίτητες για τους υπολογισμούς. Αφού ανοίξουμε το μοντέλο θα πρέπει να απαντήσουμε «ναι» στην ενεργοποίηση των μακροεντολών. Το μοντέλο το οποίο τρέχει σε περιβάλλον excel, αποτελείται από αρκετά φύλλα εργασίας. Το φύλλο ελέγχου Το φύλλο ελέγχου το οποίο περιλαμβάνει εντολές όπως ο καθορισμός του τέλους της προσομοίωσης, το χρονικό βήμα και το βήμα αναφοράς της προσομοίωσης, καθώς και τα διαγράμματα των αποτελεσμάτων. 123

130 Τα φύλλα δεδομένων εισόδου: anainp: Καθορισμός του αριθμού των τρεξιμάτων, καθορισμός της χρονικής διάρκειας των μέσων τιμών των αποτελεσμάτων, κ.τ.λ. stateinp: Εισαγωγή των αρχικών συνθηκών των μεταβλητών κατάστασης (για κάθε τρέξιμο). paraminp: Εισαγωγή των τιμών των παραμέτρων (για κάθε τρέξιμο). equatinp: Σε αυτό το φύλλο εργασίας μπορούμε να επιλέξουμε ποιές ενδιάμεσες μεταβλητές θέλουμε να εμφανίζονται στα αποτελέσματα. Τα φύλλα δεδομένων εξόδου: setrep: Αποτελεί φύλλο εργασίας στο οποίο ο χρήστης δεν μπορεί να επέμβει, δηλαδή είναι λειτουργικό φύλλο του μοντέλου. anarep: Καταγράφονται οι μέσες τιμές των μεταβλητών που επιλέχθηκαν ως έξοδοι. sysrep: Καταγράφονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για κάθε χρονικό βήμα και για κάθε μεταβλητή που επιλέχθηκε να παρακολουθήσει ο χρήστης. Sysrep 1 sysrep 3 (ή και περισσότερα): Καταγράφονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για κάθε χρονικό βήμα και για κάθε μεταβλητή που επιλέχθηκε να παρακολουθήσει ο χρήστης για τα τρεξίματα 1-3 (ή και περισσότερα). 124

131 Τα φύλλα εισαγωγής χρονοσειρών Για να εκτελέσουμε ένα «τρέξιμο» πατάμε «Save input and run model» στο φύλλο ελέγχου. Αρχικά σώζεται το βιβλίο εργασίας και έπειτα εμφανίζεται ένα παράθυρο σε περιβάλλον DOS, στο οποίο υποδεικνύεται το «τρέξιμο» που υπολογίζεται (στην προεπιλογή εκτελούνται 4 τρεξίματα που ονομάζονται 0,1,2 και 3). Σε περίπτωση που προκύψει κάποιο λάθος στους υπολογισμούς, αυτό υποδεικνύεται και το τρέξιμο σταματά. Μπορούμε επίσης να διακόψουμε τους υπολογισμούς πατώντας Ctrl-Break. Στη συνέχεια και αφού ολοκληρωθούν οι υπολογισμοί των τρεξιμάτων, πατάμε το «Open output». Τα επιθυμητά αποτελέσματα εμφανίζονται σε πίνακα στα φύλλα sysrep (για το τρέξιμο 0), sysrep 1 ( για το τρέξιμο 1) κ.τ.λ., ενώ για τις πρώτες 12 μεταβλητές που επιλέξουμε, εμφανίζονται τα αντίστοιχα διαγράμματα στο φύλλο ελέγχου. Τα αποτελέσματα παράγονται για εκείνες τις μεταβλητές που είχαν προηγουμένως «μαρκαριστεί» με 1 στη στήλη Β του φύλλου stateinp, paraminp ή equatinp. Ο καθορισμός του αριθμού των τρεξιμάτων πρέπει να έχει καθοριστεί στο φύλλο anainp (και εν μέρει στο φύλλο ελέγχου). Το τι αντιπροσωπεύει κάθε στήλη στο φύλλο anainp μπορούμε να το εξακριβώσουμε τοποθετώντας τον δείκτη του ποντικιού στο κόκκινο τρίγωνο στην πρώτη γραμμή. Στήλη Α = Ο αριθμός του τρεξίματος: στην πρώτη γραμμή βάζουμε 0, στη δεύτερη 1 κ.τ.λ. Βάζουμε -1 κάτω από το τελευταίο τρέξιμο που επιθυμούμε να υπολογιστεί. Είναι δυνατόν να προσθέσουμε περισσότερες γραμμές εφόσον κριθεί απαραίτητο. Αυτό γίνεται με μια απλή αντιγραφή των υπαρχουσών γραμμών και αλλάζοντας ό,τι είναι απαραίτητο. 125

132 Εφόσον επιθυμούμε να υπολογίσουμε μόνο ένα τρέξιμο, τότε εισάγουμε μία γραμμή βάζοντας «-1» κάτω από αυτή. Στήλη Β = Ρουτίνα ολοκλήρωσης (1 = Runge Kutta πρώτης τάξης). Στήλη D = Ο αριθμός του σετ των αρχικών συνθηκών όπως αυτές ορίστηκαν στο φύλλο stateinp. Σημείωση: για τα τρεξίματα 0-3, ο αριθμός αυτός αντιγράφεται από τη γραμμή 16 στο φύλλο ελέγχου. Οι τιμές των αρχικών συνθηκών θα πρέπει να καθορίζονται στο φύλλο stateinp. Στήλη Ε = Ο αριθμός του σετ των τιμών των παραμέτρων όπως καθορίστηκαν στο φύλλο paraminp. Σημείωση: για τα τρεξίματα 0-3, ο αριθμός αυτός αντιγράφεται από τη γραμμή 16 στο φύλλο ελέγχου. Οι τιμές των παραμέτρων θα πρέπει να καθορίζονται στο φύλλο paraminp. Στήλη F = Ο χρόνος έναρξης (σε μέρες) της προσομοίωσης, που είναι συνήθως 0. Στήλη G = Ο χρόνος λήξης (σε μέρες) της προσομοίωσης. Σημείωση: για τα τρεξίματα 0-3, η τιμή αυτή υπολογίζεται από το χρόνο λήξης σε έτη όπως καθορίστηκε στη γραμμή 18 του φύλλου ελέγχου. Στήλη H = Το μέγεθος του βήματος ολοκλήρωσης (σε μέρες). Σημείωση: για τα τρεξίματα 0-3, η τιμή αυτή αντιγράφεται από τη γραμμή 19 του φύλλου ελέγχου. Στήλη I = Το βήμα αναφοράς (σε μέρες). Σημείωση: για τα τρεξίματα 0-3, αυτή η τιμή αντιγράφεται από τη γραμμή 20 του φύλλου ελέγχου. 126

133 Μέσες τιμές των εξόδων: Στο φύλλο anainp: Κ = η μέρα μετά την οποία ξεκινά ο υπολογισμός των μέσων τιμών. L = η μέρα του έτους στην οποία ξεκινά ο υπολογισμός των μέσων τιμών. M = η μέρα του έτους στην οποία σταματά ο υπολογισμός των μέσων τιμών. Τα αποτελέσματα (μέσες τιμές των επιθυμητών μεταβλητών) εμφανίζονται στο φύλλο anarep. Δεδομένα εισόδου σε μορφή χρονοσειρών Στο φύλλο εργασίας paraminp, αντί για μία τιμή μπορεί να εισαχθεί το όνομα ενός αρχείου, με τη σύνταξη: txt/όνομα.txt. Εισάγετε ένα καινούριο φύλλο εργασίας με το ίδιο όνομα και εισάγετε τα δεδομένα σε αυτό το φύλλο όπως στο παράδειγμα φύλλου εργασίας: ctmave1inp (χρονοσειρά θερμοκρασίας για ολλανδική λίμνη): στήλη Α = χρόνος, στήλη Β = τιμές. Οι τιμές που λείπουν υπολογίζονται με γραμμική παρεμβολή. Η πρώτη σειρά πρέπει να περιλαμβάνει τις λέξεις «dtime» και «dvalue» ως τίτλους των δύο στηλών. Η στήλη C πρέπει να αναγράφει «-1», σε όλες τις γραμμές, ενώ οι επόμενες στήλες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για σχόλια. Ο πίνακας επίσης πρέπει να κλείσει με «-1» στην επόμενη σειρά. Αν έχει προστεθεί ένα νέο φύλλο εργασίας με χρονοσειρά δεδομένων, η εντολή πρέπει επιπλέον να ενεργοποιηθεί χειροκίνητα στις μακροεντολές του excel. Από το κεντρικό μενού, επιλέξτε Tools Macro Macros, επιλέξτε Save_Input_and_Run_Model, επιλέξτε Edit και αντιγράψτε τις ακόλουθες γραμμές: 127

134 Sheets("ctmave1inp").Select ActiveWorkbook.SaveAs Filename:="txt\ctmave1inp.txt", FileFormat:=xlText, CreateBackup:=False Αλλάξτε το όνομα του επιθυμητού φύλλου εργασίας και το όνομα του αρχείου, όπως για παράδειγμα εδώ το ctmave1inp άλλαξε σε myvarinp: Sheets("myvarinp").Select ActiveWorkbook.SaveAs Filename:="txt\myvarinp.txt", FileFormat:=xlText, CreateBackup:=False Τέλος, κλείστε το παράθυρο των μακροεντολών και συνεχίστε. 9.2 Αλλαγές στο μοντέλο και μεταγλώττιση Αν χρειάζεται να κάνετε κάποιες αλλαγές στον κώδικα του μοντέλου, αυτός ο κώδικας πρέπει να επαναμεταγλωττιστεί χρησιμοποιώντας έναν C++ μεταγλωττιστή (C++ compiler). Ο μεταγλωττιστής πρέπει αρχικά να εγκατασταθεί στον υπολογιστή. Είναι αναγκαίο να περιγράψετε τα περιεχόμενα της διεύθυνσης του PCLake_Osiris. Αυτή η περιγραφή βασίζεται στο Osiris v 3.01 (Mooij, 2000). Η διεύθυνση αποτελείται από τα ακόλουθα αρχεία: \έναν φάκελο με όνομα της έκδοσης του μοντέλου (π.χ. «\ »), που να περιέχει το αρχείο Excel κι έναν υποφάκελο «txt» με αρχεία εισαγωγής κειμένου που παράγονται κατά το τρέξιμο, όπως περιγράφονται παρακάτω. \ bin\ 3.01\ pclake.exe \ ide\ 3.01\ : files about the C++ integrated development environment 128

135 \ include\ 3.01\ : C++ header files \ lib\ 3.01\ : compiled Osiris libraries, needed for the integration \ objs\ 3.01\ : C++ object files (compiled model source code) \ sources\ 3.01\ : file pclake.cpp (the switchboard file ), and subfolders with the model source code in C++ (extensions.cpp and.h). Τα βήματα που πρέπει να γίνουν είναι τα εξής: Δημιουργήστε ένα καινούριο αρχείο με το όνομα της έκδοσης του μοντέλου (π.χ. « ») θεωρώντας ότι αναβαθμίζετε μία υπάρχουσα έκδοση: αντιγράψτε τα αρχεία του μοντέλου (model source files από το \source folder) σε ένα νέο υποφάκελο, μετονομάστε τα με ονόματα το μέγιστο 8 χαρακτήρων και κάνετε τις αλλαγές που επιθυμείτε. Η ολοκληρωμένη πηγή αποτελείται από ένα αρχείο ορισμού του μοντέλου (με όνομα την έκδοση του μοντέλου και κατάληξη.cpp), ένα αρχείο υπολογισμών του μοντέλου (με όνομα.c.cpp) κι ένα αρχείο έναρξης του μοντέλου (με όνομα.i.cpp). Σημείωση: τα άλλα αρχεία στο φάκελο \source ενημερώνονται αυτόματα, αν χρειαστεί. Στο \ide\3.01, επιλέξτε «pclake.ide» για να ανοίξετε το περιβάλλον ανάπτυξης της C++. Με δεξί κλικ, επιλέξτε «Add node» κι επιλέξτε το αρχείο ορισμού του μοντέλου, για παράδειγμα, «PL50899.cpp», στον καινούριο φάκελο πηγής (source). Κάνετε το ίδιο για το αρχείο έναρξης (π.χ. «PL50899i.cpp») και το αρχείο υπολογισμών (π.χ. «PL50899c.cpp»). 129

136 Σε αυτά τα τρία αρχεία πηγής, αλλάξτε παντού το όνομα της έκδοσης του μοντέλου π.χ. από «50800» σε «50899». Μεταγλωττίστε τα τρία.cpp αρχεία που μόλις αλλάξατε: επιλέγοντας το αρχείο, με δεξί κλικ, επιλέξτε «C++ compile». Νέα αρχεία κατάληξης.obj, δημιουργούνται στον φάκελο \objs. Στο αρχείο «pclake.cpp», προσθέστε μία γραμμή με τη νέα έκδοση του μοντέλου. Μεταγλωττίστε αυτό το αρχείο με τον ίδιο τρόπο. Σιγουρευτείτε ότι χρησιμοποιείτε τις βιβλιοθήκες Osiris που έχουν μεταγλωττιστεί με την ίδια έκδοση του μεταγλωττιστή C++ όπως η πηγή του μοντέλου, καθώς αρχεία από διαφορετικές εκδόσεις μεταγλωττιστών δεν είναι συμβατά. Δύο εκδόσεις των βιβλιοθηκών Osiris είναι διαθέσιμες, που έχουν δημιουργηθεί με τους μεταγλωττιστές Borland C and 5.02, αντίστοιχα. 9.3 Εισαγωγή, αντικείμενο μελέτης Ο ευτροφισμός αποτελεί ένα φαινόμενο που προκαλείται από την υπερβολική εισροή θρεπτικών, ιδιαίτερα φωσφόρου και αζώτου, σε φυσικά ολιγοτροφικά ή μεσοτροφικά οικοσυστήματα. Προκαλεί την υποβάθμιση ή την εξάλειψη των φυσικών κοινοτήτων φυτών και ζώων. Τα ρηχά, συνήθως στάσιμα νερά, όπως οι λίμνες και οι τάφροι, είναι τα πιο ευάλωτα συστήματα στον ευτροφισμό. Οι φυσικές φυτικές και ζωικές κοινότητες των νερών αυτών κάτω από μεσοτροφικές συνθήκες, που ως επί το πλείστον κυριαρχούν τα υδρόβια φυτά (μακρόφυτα) ως πρωτογενείς παραγωγοί, τείνουν να 130

137 αλλάξουν ριζικά. Εκτός από την κατάρρευση των μακρόφυτων, των άλγεων και των ασπόνδυλων, τα ψάρια καθώς και άλλοι οργανισμοί επίσης αλλάζουν τελείως και η βιοποικιλότητα στο σύνολό της γενικά μειώνεται. To PCLake επικεντρώνεται στις επιδράσεις στις ρηχές λίμνες, όπου η φυτική κοινότητα των καθαρών νερών η οποία χαρακτηρίζεται από μακρόφυτα, αντικαθίσταται από φυτοπλαγκτόν και θολό νερό, ενώ η ποικιλόμορφη κοινότητα ψαριών που περιλαμβάνει ιχθυοφάγα ψάρια, μετατρέπεται σε μια κοινότητα «φτωχή» σε είδη και κυριαρχείται από ένα είδος κυπρίνου. Καθώς αυτές οι επιδράσεις σε βιοτικό επίπεδο θεωρούνται ανεπιθύμητες, είναι σημαντικό να είμαστε σε θέση να προβλέψουμε, όσο το δυνατόν καλύτερα, με έναν ποσοτικό τρόπο, το μέγεθος του ευτροφισμού που θα προκύψει από αυτές τις αλλαγές και το κατά πόσο είναι αντιστρέψιμες ή όχι. Τα μαθηματικά μοντέλα αποτελούν χρήσιμα εργαλεία όσον αφορά την πρόβλεψη. Το παρόν εγχειρίδιο περιγράφει ένα μαθηματικό μοντέλο για τις λίμνες. Ο στόχος του μοντέλου αυτού είναι να απαντήσει στις παρακάτω ερωτήσεις: 1. Σε τι επίπεδο εξωτερικής φόρτισης με θρεπτικά το σύστημα αλλάζει από τη φυσική στην υποβαθμισμένη κατάσταση; 2. Πόσο διαρκεί αυτή η αλλαγή; 3. Είναι αναστρέψιμη αυτή η αλλαγή; (π.χ. πόσο πρέπει να μειωθεί το φορτίο θρεπτικών έτσι ώστε να επιστρέψει στη φυσική από την υποβαθμισμένη κατάσταση το σύστημα;) 4. Γιατί ορισμένες λίμνες είναι πιο ευαίσθητες στον ευτροφισμό από ότι άλλες; 131

138 5. Ποιες είναι οι βασικές διαδικασίες που το καθορίζουν; 6. Ποια είναι η επίδραση των διαφορετικών επιλογών διαχείρισης στην αποκατάσταση των υποβαθμισμένων οικοσυστημάτων, ή στην αύξηση της ανθεκτικότητας των φυσικών οικοσυστημάτων; 7. Ποια είναι η αβεβαιότητα αυτών των προβλέψεων; 9.4 Ευτροφισμός σε ρηχές λίμνες Κατά τη διάρκεια των τελευταίων ετών είναι γεγονός ότι πολλές ρηχές λίμνες έχουν γίνει υπερτροφικές, ως αποτέλεσμα της τροφοδότησής τους με υψηλά φορτία θρεπτικών. Χαρακτηρίζονται από πυκνά φύκια κυανοβακτηρίων, από μεγάλη θολερότητα, από απουσία βλάστησης, ενώ η κοινότητα ψαριών κυριαρχείται από ένα είδος κυπρίνου. Αντίθετα, η μεσοτροφική κατάσταση η οποία είναι και η ιδανική, χαρακτηρίζεται από μεγάλη κάλυψη του βυθού από μακρόφυτα, από χαμηλή θολερότητα, από χαμηλά επίπεδα άλγεων και από πολλά ιχθυοφάγα ψάρια (Σχήμα 9.1). Παρόλο που η υπερτροφική κατάσταση δημιουργείται λόγω των αυξημένων φορτίων θρεπτικών, η αποκατάσταση της βλάστησης του νερού συχνά δεν μπορεί να επιτευχθεί μόνο με τη μείωση των φορτίων των θρεπτικών: οι ευτροφικές λίμνες συχνά παρουσιάζουν ανθεκτικότητα στην επαναφορά τους σε μεσοτροφική κατάσταση. Στο Σχήμα που ακολουθεί (Σχήμα 9.1), αναπαρίστανται οι κυρίαρχοι οργανισμοί τόσο στη μεσοτροφική όσο και στην υπερτροφική κατάσταση. 132

139 Σχήμα 9.1: Κυρίαρχοι οργανισμοί σε μία καθαρή λίμνη (αριστερά) και σε μία θολή (δεξιά) Σήμερα υπάρχουν επαρκή στοιχεία που αποδεικνύουν ότι οι ρηχές λίμνες μπορεί να εναλλάσσονται και στις δύο καταστάσεις, δηλαδή στην κατάσταση που χαρακτηρίζεται από καθαρό νερό και κυριαρχούν τα μακρόφυτα και στην κατάσταση που χαρακτηρίζεται από θολό νερό και κυριαρχεί το φυτοπλαγκτόν. Αρκετοί παράγοντες καθορίζουν ποια κατάσταση επικρατεί σε κάθε περίπτωση, αλλά ο παράγοντας «κλειδί» είναι η εξωτερική φόρτιση με θρεπτικά. Όταν η εξωτερική φόρτιση με θρεπτικά είναι υψηλή, μόνο η θολή κατάσταση είναι σταθερή, ενώ η αντίθετη περίπτωση ισχύει για χαμηλή φόρτιση με θρεπτικά. Στην ενδιάμεση κατάσταση εξωτερικής φόρτισης με θρεπτικά, είναι δυνατόν να υπάρχουν αμφότερες οι δύο καταστάσεις (μεσοτροφική-ευτροφική) και να εναλλάσσονται. Επειδή και οι δύο καταστάσεις διαθέτουν μια σειρά από αυτόσταθεροποιητικούς 133

140 ρυθμιστικούς μηχανισμούς, το επίπεδο του κρίσιμου φορτίου κατά το οποίο γίνεται η μετατροπή, εξαρτάται από την αρχική κατάσταση του λιμναίου συστήματος: η μετατροπή από θολή σε καθαρή κατάσταση συμβαίνει σε πολύ χαμηλότερο φορτίο θρεπτικών από ότι το αντίθετο (υστέρηση). Στην ενδιάμεση κατάσταση εξωτερικής φόρτισης με θρεπτικά, η μετατροπή μπορεί να συμβεί από φυσικά ή ανθρωπογενή αίτια. Για παράδειγμα, η θολή κατάσταση μπορεί να μετατραπεί σε καθαρή μέσω φυσικού θανάτου των ψαριών ή μέσω ενός βιοδιαχειριστικού μέτρου: εξάλειψη των βενθοφάγων και ζωοπλαγκτοφάγων ψαριών. (Gulati et al., 1990). Κατά τη διάρκεια της μετατροπής μιας μεσοτροφικής λίμνης σε ευτροφική, συμβαίνουν αλλαγές σε όλους τους αβιοτικούς και βιοτικούς παράγοντες του οικοσυστήματος της λίμνης. Σε μια μεσοτροφική λίμνη όλοι οι οργανισμοί βρίσκονται σε ισορροπία και η βιομάζα του φυτοπλαγκτού διατηρείται σε χαμηλά επίπεδα λόγω του περιορισμού των θρεπτικών και της βόσκησής του από άλλους οργανισμούς (ζωοπλαγκτόν, ψάρια). Εάν η εξωτερική φόρτιση με θρεπτικά (ειδικά με φώσφορο που είναι συνήθως ο περιοριστικός παράγοντας για το φυτοπλαγκτόν του γλυκού νερού), αυξηθεί σε επίπεδο πάνω από την ικανότητα πρόσληψης του συστήματος της λίμνης, τότε η βιομάζα του φυτοπλαγκτού και, κυρίως, τα πράσινα άλγη, αυξάνονται. Τα μακρόφυτα εξαφανίζονται λόγω της έλλειψης φωτός. Όταν η θολερότητα αυξάνεται, τα άλγη συχνά αντικαθίστανται από κυανοβακτήρια τα οποία προσαρμόζονται καλύτερα στη σκιά (Van Liere, 1979), με την προϋπόθεση ότι ο χρόνος παραμονής δεν είναι πολύ μικρός. Η εξάλειψη των μακρόφυτων καταλήγει σε διατάραξη της τροφικής αλυσίδας, οδηγώντας στην επικράτηση των κυπρίνων, κάτι το οποίο από μόνο του συνεισφέρει στη θολερότητα του νερού και στην ανακύκλωση των θρεπτικών. Το ζωοπλαγκτόν δεν δύναται να διαχειριστεί την υψηλή 134

141 συγκέντρωση του φυτοπλαγκτού. Τα κυανοβακτήρια, τα οποία ενεργοποιούνται με την ύπαρξη φωσφόρου, διατηρούν υψηλή βιομάζα ακόμη και στην περίπτωση που το φορτίο φωσφόρου μειωθεί ξανά. Και οι δύο καταστάσεις (μεσοτροφική - υπερτροφική) κατέχουν έναν αριθμό από αυτοσταθεροποιητικούς μηχανισμούς (Σχήμα 9.2). Αρκετοί, συχνά αλληλεπιδρώντες μηχανισμοί, έχουν προταθεί (Scheffer, 1998). Αρχικά, μία παρατεταμένη εσωτερική φόρτιση από τα ιζήματα που είναι πλούσια σε θρεπτικά, μπορεί να καθυστερήσει την αντίδραση (Ryding & Forsberg, 1977). Κατά δεύτερο λόγο, μία αύξηση της ικανότητας χρησιμοποίησης των θρεπτικών από το φυτοπλαγκτόν, τα καθιστά ικανά να παράγουν την ίδια βιομάζα με λιγότερα θρεπτικά (Van Liere & Janse, 1992). Επίσης, η πίεση της βόσκησης του ζωοπλαγκτού στο φυτοπλαγκτόν είναι χαμηλή, λόγω της περιορισμένης εδωδιμότητας των κυανοβακτηρίων από το ζωοπλαγκτόν και λόγω της μεγάλης κατανάλωσης του ζωοπλαγκτού από τους κυπρίνους (Gulati et al., 1990). Τέλος, ο μεγάλος αριθμός ενήλικων κυπρίνων, μέσω της τροφικής τους συμπεριφοράς στο ανώτερο στρώμα των ιζημάτων, διατηρεί το νερό θολό και εμποδίζει την επιστροφή της βλάστησης. Είναι ξεκάθαρο ότι, τόσο η άμεση επίδραση των θρεπτικών, όσο και η έμμεση επίδραση διαμέσου της τροφικής αλυσίδας, συνεισφέρουν στη συχνά παρατηρούμενη αντίσταση του λιμναίου συστήματος σε αποκατάσταση. Για το λόγο αυτό, πέρα από τη μείωση του φορτίου θρεπτικών, είναι σημαντικό να ληφθούν περαιτέρω μέτρα όπως η άμεση διαχείριση της τροφικής αλυσίδας (Gulati et al., 1990). Από την άλλη, οι λίμνες με καθαρό νερό και μακρόφυτα δείχνουν επίσης μία συγκεκριμένη αντίσταση σε εξωτερικές επιδράσεις, όπως σε μία μέτρια αύξηση στο φορτίο θρεπτικών. (Moss, 1990). Αρκετοί μηχανισμοί σταθεροποίησης μπορεί να παίζουν ρόλο 135

142 (Scheffer, 1998; Jeppesen et al., 1998). Η πρόσληψη θρεπτικών από τα μακρόφυτα μπορεί να καταστείλει την ανάπτυξη των άλγεων λόγω του περιορισμού των θρεπτικών. Επίσης, τα μακρόφυτα μπορούν να μειώσουν έμμεσα την κατανάλωση του ζωοπλαγκτού, παρέχοντας ιδανικές συνθήκες κάλυψής του από τα ψάρια που τρέφονται με αυτό, και τέλος μπορούν να μειώσουν την επαναιώρηση που προκαλείται από τον άνεμο μέσω της σταθεροποίησης του ιζήματος. Στο Σχήμα 9.2 παρουσιάζεται η σχηματική απεικόνιση αυτών των αλληλεπιδράσεων. Σχήμα 9.2: Κύριες αλληλεπιδράσεις στο λιμναίο οικοσύστημα που αφορούν σε θολερότητα του νερού Κύριο παράγοντα για την κατάσταση που επικρατεί αποτελεί η διαφάνεια του νερού. Η πιθανότητα αλλαγής της κατάστασης για ένα συγκεκριμένο φορτίο θρεπτικών, εξαρτάται από φυσικοχημικούς και βιολογικούς παράγοντες. Στους φυσικοχημικούς παράγοντες συγκαταλέγονται το βάθος της λίμνης, το μέγεθος, ο τύπος του ιζήματος, ο χρόνος παραμονής του νερού, η χημική σύσταση των θρεπτικών, κ.α.. Στους βιολογικούς 136

143 παράγοντες συγκαταλέγονται οι ιδιότητες των οργανισμών της λίμνης, όπως ο κύκλος ζωής τους, οι ρυθμοί ανάπτυξης και απώλειας και η τροφική συμπεριφορά τους. Οι παράμετροι ανάπτυξης καθορίζουν τον ανταγωνισμό ανάμεσα στους διάφορους πρωτογενείς παραγωγούς για περιβαλλοντικούς παράγοντες, όπως τα θρεπτικά και το φως. Οι παράμετροι απώλειας περιλαμβάνουν τη θνησιμότητα, τη βόσκηση του ζωοπλαγκτού και την αλιεία. Το κεντρικό ερώτημα που προκύπτει είναι η πιθανότητα ύπαρξης των δύο καταστάσεων (μεσοτροφική υπερτροφική), καθώς και η μετατροπή από τη μία στην άλλη, ως λειτουργία των κύριων χαρακτηριστικών της λίμνης και των παραγόντων εισόδου στο σύστημα, εστιάζοντας στους παράγοντες που μπορεί να διαχειριστεί ο άνθρωπος. 9.5 Προσέγγιση μέσω του μοντέλου Το θέμα προσεγγίζεται μέσω του μοντέλου προσομοίωσης PCLake, το οποίο αποτελεί ένα ολοκληρωμένο οικολογικό μοντέλο των ρηχών λιμνών, περιγράφοντας το φυτοπλαγκτόν, τα μακρόφυτα και μια απλοποιημένη τροφική αλυσίδα, εντός του πλαισίου του κλειστού κύκλου των θρεπτικών. Σκοπός του μοντέλου είναι η ανάλυση της πιθανότητας μετάβασης από την κατάσταση που χαρακτηρίζεται από καθαρό νερό και κυριαρχείται από βλάστηση, στην κατάσταση που χαρακτηρίζεται από θολό νερό και κυριαρχείται από φυτοπλαγκτόν ή αντίστροφα, ως λειτουργία της εξωτερικής φόρτισης με θρεπτικά και άλλους παράγοντες (Σχήμα 9.3 α, β). Εκτός από τα σενάρια διαφορετικών εξωτερικών φορτίσεων με θρεπτικά, οι επιδράσεις των υδρολογικών και μορφολογικών αλλαγών, η κλιματική αλλαγή, οι επιλογές διαχείρισης όπως η βυθοκόρηση και η διαχείριση 137

144 της υδρόβιας ζωής, ή συνδυασμοί των παραπάνω, μπορούν να αξιολογηθούν με έναν τουλάχιστον ημιποσοτικό τρόπο (Σχήμα 9.3 α, β). Το μοντέλο δίνει τη δυνατότητα εκτίμησης της επίδρασης διαφορετικών υποθέσεων σε οικολογικές αλληλεπιδράσεις (όπως προκύπτουν, για παράδειγμα, από την οικολογική γνώση). Περιγράφει τις πιο σημαντικές οικολογικές αλληλεπιδράσεις σε ένα ρηχό λιμναίο οικοσύστημα που καθορίζουν ποια κατάσταση θα υπερισχύσει. Τόσο οι επιδράσεις από την επιφάνεια προς τον πυθμένα όσο και οι επιδράσεις από τον πυθμένα προς την επιφάνεια καθώς και οι έμμεσες επιδράσεις, λαμβάνονται υπόψη, εντός του γενικού πλαισίου του κύκλου των θρεπτικών. Το μοντέλο κατέχει μία ενδιάμεση θέση ανάμεσα στα μοντέλα ευτροφισμού που εστιάζουν κυρίως στα θρεπτικά και στο φυτοπλαγκτόν (π.χ. Ambrose et al, 1998; Van der Molen et al, 1993; STOWA, 1999), σε μοντέλα πιο λεπτομερή στα βιολογικά είδη (π.χ. Van Nes et al, 2002) και των λεγόμενων «minimodels» (Scheffer, 1998). Οι βιοτικές μεταβλητές κλειδιά είναι το φυτοπλαγκτόν και η βλάστηση του πυθμένα, ενώ οι αβιοτικοί παράγοντες κλειδιά είναι η διαφάνεια και τα θρεπτικά. Το μοντέλο βασίζεται σε κλειστούς κύκλους αζώτου και φωσφόρου και για το λόγο αυτό οι αναλογίες των θρεπτικών προς τη βιομάζα μοντελοποιούνται δυναμικά. Αυτό γίνεται για να προσαρμοστούν οι αναλογίες θρεπτικών του φυτοπλαγκτού και των μακρόφυτων στη διαθεσιμότητα των θρεπτικών και επειδή οι αναλογίες θρεπτικών των οργανισμών αυξάνονται με το τροφικό επίπεδο. Για τη μεταφορά και κατακράτηση, είναι σημαντικό να γίνει διάκριση των διαλυμένων και σωματιδιακών μορφών των θρεπτικών. Με στόχο την όσο το δυνατόν καλύτερη προσέγγιση των διαθέσιμων θρεπτικών, είναι απαραίτητο να συμπεριλάβουμε σε αυτά, το άνω στρώμα των ιζημάτων και της ανταλλαγής του με τη στήλη νερού. Το άνω στρώμα των ιζημάτων, διαδραματίζει σημαντικό ρόλο και στη 138

145 διαφάνεια του νερού, όπως επίσης και η οργανική και ανόργανη ύλη. Τα ιζήματα είναι επίσης απαραίτητα για να προσομοιώσουμε το ιστορικό της λίμνης, να εκτιμήσουμε τα αποτελέσματα διαχειριστικών μέτρων όπως είναι η βυθοκόρηση, και γενικά να καταγράψουμε το χρόνο αντίδρασης (εάν υφίσταται κάποια αντίδραση) σε μέτρα αποκατάστασης. Τέλος, ανάμεσα από κάθε δύο περιόδους ανάπτυξης (καλοκαίρια), υπάρχει μία αδρανής περίοδος όπου η σημαντικότητα των βασικών οικολογικών παραγόντων μπορεί να είναι αρκετά διαφορετική. Τα παραπάνω ενισχύουν την επιλογή της δυναμικής μεθόδου υπολογισμού. Οι βιοτικές μεταβλητές κλειδιά είναι το φυτοπλαγκτόν και η βλάστηση του πυθμένα, ενώ οι αβιοτικοί παράγοντες κλειδιά είναι η διαφάνεια και τα θρεπτικά. Το μοντέλο βασίζεται σε κλειστούς κύκλους αζώτου και φωσφόρου και για το λόγο αυτό οι αναλογίες των θρεπτικών προς τη βιομάζα μοντελοποιούνται δυναμικά. Αυτό γίνεται για να προσαρμοστούν οι αναλογίες θρεπτικών του φυτοπλαγκτού και των μακρόφυτων στη διαθεσιμότητα των θρεπτικών και επειδή οι αναλογίες θρεπτικών των οργανισμών αυξάνονται με το τροφικό επίπεδο. Για τη μεταφορά και κατακράτηση, είναι σημαντικό να γίνει διάκριση των διαλυμένων και σωματιδιακών μορφών των θρεπτικών. Με στόχο την όσο το δυνατόν καλύτερη προσέγγιση των διαθέσιμων θρεπτικών, είναι απαραίτητο να συμπεριλάβουμε σε αυτά, το άνω στρώμα των ιζημάτων και της ανταλλαγής του με τη στήλη νερού. Το άνω στρώμα των ιζημάτων, διαδραματίζει σημαντικό ρόλο και στη διαφάνεια του νερού, όπως επίσης και η οργανική και ανόργανη ύλη. Τα ιζήματα είναι επίσης απαραίτητα για να προσομοιώσουμε το ιστορικό της λίμνης, να εκτιμήσουμε τα αποτελέσματα διαχειριστικών μέτρων όπως είναι η βυθοκόρηση, και γενικά να καταγράψουμε το χρόνο αντίδρασης (εάν υφίσταται κάποια αντίδραση) σε μέτρα 139

146 αποκατάστασης. Τέλος, ανάμεσα από κάθε δύο περιόδους ανάπτυξης (καλοκαίρια), υπάρχει μία αδρανής περίοδος όπου η σημαντικότητα των βασικών οικολογικών παραγόντων μπορεί να είναι αρκετά διαφορετική. Τα παραπάνω ενισχύουν την επιλογή της δυναμικής μεθόδου υπολογισμού. α) β) Σχήμα 9.3: Σχηματική άποψη του πεδίου εφαρμογής του PCLake. α) σχηματική δομή του μοντέλου, β) σχηματική δομή του μοντέλου και παράθεση των παραγόντων προς διαχείριση. Όσον αφορά στα υψηλότερα τροφικά επίπεδα, μόνο οι ουσιώδεις επιρροές συμπεριλαμβάνονται, π.χ. η πίεση βόσκησης στα άλγη και η σημασία των λευκοκορέγονων 140

147 για τη διαφάνεια και την αποθήκευση θρεπτικών συστατικών. Όλοι οι οργανισμοί θεωρούνται ως εξαρτημένοι, άμεσα ή έμμεσα, από τα διαθέσιμα θρεπτικά του συστήματος, ως σύνολο, επομένως η τροφική δομή και οι κύκλοι των θρεπτικών συζευγνύονται. Το γεγονός ότι συμπεριλαμβάνεται ένας τροφικός ιστός, καθιστά επίσης δυνατή τη μοντελοποίηση των επιδράσεων της βιοδιαχείρισης. Η επίδραση της διακύμανσης της στάθμης του νερού μπορεί να μοντελοποιηθεί, καθώς το βάθος του νερού αποτελεί μία μεταβλητή κατάστασης του μοντέλου. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί η υπορουτίνα της ελώδους ζώνης για να μοντελοποιηθούν οι επιδράσεις της στην αποκατάσταση της ποιότητα της λίμνης. Η δομή του μοντέλου παρέχει έτσι διάφορα «παραθυράκια» όσον αφορά σε διαφορές στις ιδιότητες του συστήματος ή σε επιβολή (συνδυασμούς) αλλαγών στους παράγοντες εισόδου, με ιδιαίτερη έμφαση στους παράγοντες που είναι διαχειρίσιμοι από τον άνθρωπο. Το μοντέλο αποτελεί έτσι ένα ολοκληρωμένο εργαλείο αξιολόγησης και διαχείρισης. 9.6 Σύντομη περιγραφή του PCLake Δομή Το μοντέλο περιγράφει ένα πλήρους ανάδευσης υδάτινο σώμα, ενώ περιλαμβάνει εκτός από την υδάτινη στήλη, το ανώτερο ιζηματογενές στρώμα του πυθμένα, με τα πιο σημαντικά βιοτικά κι αβιοτικά συστατικά. Ως εκ τούτου, το μοντέλο προορίζεται κυρίως για προσομοίωση ρηχών και μη στρωματοποιημένων λιμνών. Δεν προβλέπεται περεταίρω 141

148 οριζόντια ή κατακόρυφη διακριτοποίηση μέσα στη λίμνη, εκτός από την προαιρετική συνεκτίμηση ζώνης ελωδών περιοχών με καλαμώδη βλάστηση. Μαθηματικά, το μοντέλο συνίσταται από έναν αριθμό, συνδυασμένων ανά δύο, διαφορικών εξισώσεων, μία για κάθε μεταβλητή του Πίνακα 9.1. Η δομή του μοντέλου της λίμνης, αναπαρίσταται σχηματικά στο Σχήμα 9.4., ενώ αυτή της υπορουτίνας της ζώνης ελωδών περιοχών στο Σχήμα 9.5. Όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί προσομοιώνονται με την μορφή λειτουργικών ομάδων. Εκτός των ροών της τροφικής αλυσίδας, περιλαμβάνονται, επίσης, κάποιοι εμπειρικοί ή έμμεσοι συσχετισμοί των διάφορων στοιχείων, όπως για παράδειγμα η επιρροή των ιχθύων και μακρόφυτων στην επαναιώρηση των καθιζανόντων. Οι κύκλοι των θρεπτικών αζώτου, φωσφόρου και πυριτίου- περιγράφονται ως εντελώς κλειστοί, με εξαίρεση την εξωτερική φόρτιση κι απομάκρυνση θρεπτικών στην λίμνη, μέσω εισροών κι εκροών, και την απονιτροποίηση. Αυτό επιτυγχάνεται προσδιορίζοντας όλα τα συστατικά στοιχεία με χρήση τριών εκφράσεων: ξηρό βάρος (D), νιτρικά (N) και φωσφορικά (P), (ειδικά για την ιλύ, χρησιμοποιείται και το πυρίτιο ως μορφή έκφρασης). Ο ανόργανος άνθρακας (CO 2 ) δεν προσομοιώνεται άμεσα. Προφανώς, οι διάφορες εκφράσεις λόγων, θρεπτικών ανά ξηρό βάρος που προκύπτουν, είναι ποικίλες. Οι λόγοι θρεπτικών ανά ξηρό βάρος των διάφορων οργανισμών αυξάνονται, όσο υψηλότερο είναι το τροφικό επίπεδο (π.χ. φυτοπλαγκτόν < ιχθείς). Στο μοντέλο περιλαμβάνονται οι μηχανισμοί που δημιουργούν αυτή την κλιμάκωση. Ένας τέτοιος μηχανισμός είναι η ανισομερής αφομοίωση στους οργανισμούς, των θρεπτικών και του άνθρακα, με μεγαλύτερη απόδοση στην αφομοίωση των θρεπτικών. 142

149 Τα ισοζύγια μαζών του κάθε συστατικού στοιχείου, ελέγχονται δυναμικά κατά την διάρκεια της επίλυσης. Το εικοσιτετράωρο έχει επιλεγεί ως η ενιαία μονάδα μέτρησης για όλες τις διεργασίες, ωστόσο η σχετική κλίμακα χρόνου για τα αποτελέσματα μιας προσομοίωσης είναι της τάξης των εβδομάδων ή και μηνών. Τα κύρια δεδομένα εισόδου είναι η εισροή ύδατος, οι υπόγειες διαφυγές ή υπόγεια τροφοδότηση (αν υπάρχει), η φόρτιση θρεπτικών (Ν, P), η φόρτιση σωματιδίων, η θερμοκρασία, το φως, οι διαστάσεις (ανάπτυγμα λίμνης και βάθος), το μέγεθος της ζώνης ελωδών περιοχών, το είδος των ιζημάτων και το ιστορικό φόρτισης (το τελευταίο, μέσω των αρχικών συνθηκών). Τα αποτελέσματα που εξάγονται είναι η βιομάζα και οι συγκεντρώσεις όλων των μεταβλητών. Η αρχιτεκτονική του μοντέλου είναι «εύπλαστη», παραμετροποιήσιμη, σε τέτοιο βαθμό, ώστε ο χρήστης έχει τη δυνατότητα να ενοποιήσει, να επιμερίσει ή και να αγνοήσει συγκεκριμένες ομάδες οργανισμών, παρότι προτείνονται μέσω προεπιλεγμένων τιμών οι αντίστοιχες ποσότητες. Έτσι, για παράδειγμα, στην προσομοίωση της λίμνης Loosdrecht παραμερίστηκαν εντελώς τα μακρόφυτα κι ολόκληρος ο κύκλος του αζώτου, αντιθέτως στην προσομοίωση της λίμνης Zwemlust, τα μακρόφυτα όχι μόνο συμπεριλήφθηκαν, αλλά και επιμερίστηκαν σε τρεις λειτουργικές ομάδες. Στο παρακάτω Σχήμα (Σχήμα 9.4) περιγράφεται η δομή του PCLake. Τα σκιασμένα σχήματα αναπαριστούν τμήματα που προσομοιώνονται με ξηρό βάρος και θρεπτικά. Το φυτοπλαγκτόν διακρίνεται σε τρεις λειτουργικές ομάδες: κυανοβακτήρια, διάτομα και μικρές βρώσιμες άλγεις. Οι λευκοκορέγονοι διαχωρίζονται σε μικρούς (ζωοπλαγκτοβόρους) και μεγάλους (βενθοβόρους). Τα βέλη με τις συμπαγείς γραμμές υποδηλώνουν ροές μάζας 143

150 (π.χ. τροφικές σχέσεις), τα βέλη με τις διακεκομμένες γραμμές υποδηλώνουν εμπειρικές σχέσεις ( το "-" υποδηλώνει αρνητική επίδραση ειδάλλως υπονοείται θετική). Οι ροές απεκκρίσεων και θνησιμότητας των ζωικών οργανισμών και οι ροές αναπνοής δεν αναπαριστώνται. Πίνακας 9.1: Κατηγοριοποίηση των μεταβλητών κατάστασης 144

151 Σχήμα 9.4: Η δομή του PCLake Σχήμα 9.5: Η δομή του μοντέλου για τις ελώδεις περιοχές 145

152 Διεργασίες Οι διεργασίες που προσομοιώνονται, περιγράφονται εν συντομία, ακολούθως. Αβιοτικές και μικροβιακές διεργασίες: Στην βάση του μοντέλου βρίσκονται οι διεργασίες μεταφοράς, δηλαδή η εισροή και εκροή από και προς το περιβάλλον θρεπτικών συστατικών, μέσω οργανικής κι ανόργανης ύλης. Το βάθος της λίμνης (ή η στάθμη ύδατος), μπορεί να είναι δεδομένο εισόδου ή μεταβλητή προς επίλυση, αναλόγως των δεδομένων. Για να θεωρηθεί μεταβλητή, πρέπει να προσδιοριστούν οι εποχιακές διαφορές των εισροών και των εκροών, συμπεριλαμβανομένων των υπόγειων διαφυγών ή υπόγειας τροφοδότησης. Η ανώτερη στοιβάδα ιζημάτων του πυθμένα θεωρείται ότι έχει σταθερό πάχος με προεπιλεγμένη τιμή τα 10 cm και συνίσταται -με σταθερούς τους αντίστοιχους λόγους περιεκτικοτήτων της ιλύος- από ανόργανη ύλη (ΙΜ), από μαυρόχωμα (humus), οργανικά υπολείμματα (detritus) και νερό πόρων. Η ανταλλαγή ανόργανης κι οργανικής ύλης, μεταξύ της ανώτερης στοιβάδας του πυθμένα και του νερού της λίμνης, περιγράφεται μέσω ενός μηχανισμού ισορροπίας καθίζησης (πρώτης τάξης διεργασία) κι επαναιώρησης (μηδενικής τάξης διεργασία). Ο ρυθμός καθίζησης μειώνεται κι αντίστοιχα αυξάνεται ο ρυθμός επαναιώρησης, όσο αυξάνεται το μέγεθος της λίμνης. Η επαναιώρηση επίσης εντείνεται, όσο μεγαλύτερο είναι το πορώδες της στοιβάδας ιζημάτων αλλά και ο πληθυσμός των βενθοφάγων ιχθύων, ενώ μειώνεται, όσο αυξάνεται η κάλυψη του πυθμένα με βλάστηση. Η αποικοδόμηση των οργανικών υπολειμμάτων (μικρόκοκκα υπολείμματα ζωικής και φυτικής προέλευσης σε μορφή τρίμματος, detritus) περιγράφεται ως διεργασία πρώτης 146

153 τάξης, εξαρτώμενη από τη θερμοκρασία. Το μαυρόχωμα (βραδύκαυστη οργανική ύλη, humus), θεωρείται ότι αποικοδομείται με πολύ αργούς ρυθμούς. Τα θρεπτικά που απελευθερώνονται από τη διαδικασία της αποικοδόμησης διαλύονται στο νερό των πόρων. Ο ελεύθερος φώσφορος (ανόργανος), επαναπροσροφάται στην ανόργανη ύλη, σύμφωνα με την ισόθερμη καμπύλη του Langmuir. Σε περίπτωση μεγάλων συγκεντρώσεων μέρος του καθιζάνει. Η σχετική προσρόφηση του φωσφόρου επηρεάζεται θετικά και από την περιεκτικότητα των ιζημάτων σε ιλύ και από την εξασφάλιση αερόβιων συνθηκών. Για το τελευταίο, το μοντέλο θεωρεί ένα σταθερό βάθος του πυθμένα, που έχει διεισδύσει το οξυγόνο. Παίζουν ρόλο στην συγκεκριμένη λειτουργία η συγκέντρωση του οξυγόνου, η απαίτηση σε οξυγόνο και ο ρυθμός διάχυσης. Η νιτροποίηση του αμμωνίου (ΝΗ 4+ ) και η απονιτροποίηση των νιτρικών (ΝΟ 3- ) επηρεάζονται επίσης από τις αερόβιες συνθήκες. Η μετακίνηση διαλυμένου φωσφόρου κι αζώτου από το νερό των πόρων στην υπερκείμενη υδάτινη στήλη έχει προσομοιωθεί με βάση την διαφορά συγκέντρωσης στα δύο υποσυστήματα. Το τελικό αποτέλεσμα του συνδυασμού των παραπάνω διεργασιών είναι ότι τα φωσφορικά ιόντα εμφανίζουν εποχιακή διακύμανση που καθορίζεται από την θερμοκρασία και τη διαθεσιμότητα οργανικών υπολειμμάτων στο σύστημα. Ομοίως μοντελοποιούνται η αποικοδόμηση και η νιτροποίηση στην υδάτινη στήλη. Προβλέπεται υπορουτίνα δυναμικού υπολογισμού της συγκέντρωσης του διαλυμένου οξυγόνου, η μεταβολή του οποίου, εξαρτάται από το BOD και SOD, τον ρυθμό αερισμού από την ατμόσφαιρα και την παραγωγή οξυγόνου από το φυτοπλαγκτόν και τη βλάστηση. 147

154 Φυτοπλαγκτόν: Η υπορουτίνα του φυτοπλαγκτού περιγράφει την ανάπτυξη και τον θάνατο τριών λειτουργικών ομάδων φυτοπλαγκτού, των κυανοβακτηρίων, των διατόμων και των υπόλοιπων μικρότερων βρώσιμων άλγεων. Η διάκριση στις τρεις παραπάνω ομάδες γίνεται, αφενός, ώστε να περιγραφούν ικανοποιητικά τα διαφορετικά χαρακτηριστικά τους, αφετέρου, ώστε να εξυπηρετηθούν καλύτερα ενδεχόμενες προσομοιώσεις σχεδίων βιοδιαχείρισης. Η βιομάζα της καθεμιάς από τις τρεις ομάδες περιγράφεται με την ακόλουθη διαφορική εξίσωση. dx/dt = παραγωγή αναπνοή θνησιμότητα καθίζηση + επαναιώρηση βόσκηση + εισροή εκροή Συγχρόνως το φυτοπλαγκτόν περιγράφεται και σε μονάδες αζώτου και φωσφόρου μέσω της ακόλουθης διαφορικής εξίσωσης. dy/dt = πρόσληψη απέκκριση θνησιμότητα καθίζηση + επαναιώρηση βόσκηση + εισροή εκροή Η παραγωγή (η ανοικοδόμηση του άνθρακα, για λόγους απλούστευσης ταυτίζεται με την ανάπτυξη), εξαρτάται από τον μέγιστο ρυθμό ανάπτυξης, τη θερμοκρασία, τη διάρκεια της ημέρας, το λιμναίο νερό, τον φώσφορο (P) και άζωτο (N), και για τα διάτομα, επίσης, από το πυρίτιο (Si). H εξαρτώμενη από το φως ανάπτυξη των κυανοβακτηρίων και των διατόμων, περιγράφεται από τους Di Toro & Matystik (1980), σύμφωνα με την εξίσωση του Steele, που ενσωματώθηκε στο μοντέλο, προσαρμοσμένη στο βάθος της λίμνης. Η εξίσωση υποδεικνύει αναστολή της ανάπτυξης σε μεγάλη ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας. Για τις υπόλοιπες άλγεις χρησιμοποιήθηκε μία παρόμοια εξίσωση βασισμένη στην εξίσωση Monod, που όμως δεν θεωρεί αναστολή λόγω υψηλής ηλιακής ακτινοβολίας. Το διαθέσιμο 148

155 φως εξαρτάται από την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της λίμνης με κατανομή στην υδάτινη στήλη, σύμφωνα με τον νόμο Lambert-Beer. Ο συντελεστής απόσβεσης ορίζεται συνυπολογίζοντας την φυσιολογική μακροχρόνια διαδικασία εξαφάνισης των ειδών στο υδάτινο περιβάλλον, λόγω ανταγωνιστικότητας των ειδών ή κλιματικής αλλαγής, και τη συμβολή της ανόργανης ύλης, των οργανικών υπολειμμάτων, του φυτοπλαγκτού και της υδρόβιας βλάστησης στην παραπάνω διαδικασία, εξαιτίας του φαινομένου της αυτοσκίασης, που θέτει ένα ανώτατο όριο επιβίωσης βιομάζας. Ο φώσφορος και το άζωτο επηρεάζουν τον ρυθμό ανάπτυξης, περισσότερο μέσω της εσωτερικής περιεκτικότητας σε θρεπτικά του φυτοπλαγκτού, παρά μέσω των συγκεντρώσεών τους στο νερό. Γι αυτό το λόγο, η πρόσληψη των θρεπτικών προσομοιώνεται ξεχωριστά από την παραγωγή βιομάζας, ώστε να εξυπηρετείται η στοιχειομετρία των διεργασιών. Ο ρυθμός πρόσληψης θρεπτικών αυξάνεται με την αύξηση των συγκεντρώσεων τους στο νερό, μέχρι ενός μέγιστου, που καθορίζεται από την εσωτερική κυτταρική περιεκτικότητα θρεπτικών στο φυτοπλαγκτόν (cell quota). Ο ρυθμός πρόσληψης θρεπτικών μεγιστοποιείται, όταν η κυτταρική περιεκτικότητα είναι ελάχιστη (Riegman & Mur, 1984). Η παραγωγή βιομάζας, έπειτα, περιγράφεται, εξαρτώμενη από την εσωτερική περιεκτικότητα, σύμφωνα με την εξίσωση Droop (1974). Συγκεκριμένα ακολουθεί ασυμπτωτικά την αύξηση της. Για την ανάπτυξη των διατόμων, που εξαρτάται από το πυρίτιο, χρησιμοποιείται η απλούστερη εξίσωση Monod, με βάση την εξωτερική συγκέντρωση οξειδίου του πυριτίου SiO 2. Ο πραγματικός ρυθμός ανάπτυξης υπολογίζετα, με πολλαπλασιασμό του μέγιστου ρυθμού με μειωτικούς συντελεστές που αφορούν στην φωτεινότητα, την θερμοκρασία και την διαθεσιμότητα των θρεπτικών. Ο τελευταίος μειωτικός συντελεστής κρίνεται κατά περίπτωση, ανάλογα με το ποιο θρεπτικό βρίσκεται 149

156 σε περιορισμένη διαθεσιμότητα και άρα καθορίζει την ανάπτυξη, σύμφωνα με τον νόμο του Liebig. Η χλωροφύλλη-α, που περιέχεται στο φυτοπλαγκτόν, είναι μία συμπληρωματική μεταβλητή. Η μεταβλητή αυτή γίνεται σημαντική για την περιγραφή της βιομάζας σε συνθήκες περιορισμού της ηλιακής ακτινοβολίας (Riegman, 1985). Οι διεργασίες μείωσης της βιομάζας, η αναπνοή και η φυσική θνησιμότητα περιγράφονται σαν διεργασίες πρώτης τάξης, με την αναπνοή να εξαρτάται από την θερμοκρασία. Η απέκκριση θρεπτικών, παράλληλα με την αναπνοή, θεωρείται ότι μειώνεται όταν η εσωτερική περιεκτικότητα σε θρεπτικά είναι χαμηλή. Η καθίζηση, επίσης, περιγράφεται σαν διεργασία πρώτης τάξης, με ρυθμό την ταχύτητα καθίζησης. Το φυτοπλαγκτόν που έχει ήδη καθιζάνει θεωρείται ξεχωριστή μεταβλητή. Σε αυτό και σε άλλα σωματίδια μαζί σαν άθροισμα προσδίδεται η δυνατότητα επαναιώρησης, ενώ θεωρείται ότι δεν αναπτύσσεται περεταίρω, συμμετέχει όμως στις διεργασίες αναπνοής και φυσικής θνησιμότητας. Επίσης, μπορεί να καταναλωθεί από ανώτερους οργανισμούς, ζωοβενθικούς. Οι τιμές των παραμέτρων για τις τρεις ομάδες άλγεων διαφέρουν. Τα κυανοβακτήρια προσαρμόζονται πιο εύκολα στην έλλειψη φωτός από τις άλλες δύο κατηγορίες κι έχουν μεγαλύτερο ρυθμό πρόσληψης φωσφόρου. Από την άλλη έχουν μικρότερο μέγιστο ρυθμό ανάπτυξης και μεγαλύτερη ευαισθησία στην θερμοκρασία. Τα διάτομα έχουν μικρότερη βέλτιστη τιμή θερμοκρασίας, ενώ για την τρίτη κατηγορία των μικρών βρώσιμων άλγεων δεν αποτελεί ανασταλτικό παράγοντα ανάπτυξης η μεγάλη ένταση ηλιακής ακτινοβολίας. Οι δύο τελευταίες κατηγορίες έχουν υψηλότερους ρυθμούς ανάπτυξης, αλλά και υψηλότερους ρυθμούς μείωσης λόγω καθίζησης και βόσκησης από το 150

157 ζωοπλαγκτόν. Τα διάτομα είναι η μόνη κατηγορία που μπορεί να περιοριστεί από την διαθεσιμότητα του πυριτίου. Υδρόβια βλάστηση: Η υδρόβια βλάστηση που βρίσκεται μέσα στο νερό περιγράφεται ως μία ενιαία ομάδα σύμφωνα με την παρακάτω διαφορική εξίσωση για την βιομάζα: dx/dt = παραγωγή αναπνοή - θνησιμότητα (- βρώση από πουλιά) (- βιοδιαχείριση) και για τα θρεπτικά (Ν και P) που εμπεριέχονται στα φυτά: dy/dt = πρόσληψη - απέκκριση - θνησιμότητα (- βρώση από πουλιά) (- βιοδιαχείριση) Η βιομάζα βλάστησης διακρίνεται σε δύο κατηγορίες, ένα υπόγειο τμήμα της (ρίζες) κι ένα τμήμα της μέσα στο νερό (βλαστοί), με την δεύτερη κατηγορία να θεωρείται ομοιόμορφα κατανεμημένη στην υδάτινη στήλη. Η εποχικότητα προσομοιώνεται με έναν απλουστευμένο τρόπο, θεωρώντας μεγάλο ποσοστό ριζών (επί της συνολικής βλάστησης) για την χειμερινή περίοδο και μικρό για την περίοδο ανάπτυξης (προεπιλεγμένες τιμές 0.6 και 0.1 αντίστοιχα). Οι αλλαγές των τιμών από χειμερινή σε θερινή κι αντίστροφα, γίνονται κατά τις περιόδους της άνοιξης και φθινοπώρου ομαλά. Η παραγωγή βιομάζας του βλαστού προσομοιώνεται σε αντιστοιχία με την παραγωγή φυτοπλαγκτού, δηλαδή εξαρτημένη από έναν μέγιστο ρυθμό ανάπτυξης, την θερμοκρασία, την διάρκεια ημέρας, το φως κάτω από την επιφάνεια του νερού και τα θρεπτικά Ν και P. Θεωρείται ότι τα μακρόφυτα μπορούν να αποβάλλουν θρεπτικά στο νερό της λίμνης, αλλά και στο νερό των πόρων του πυθμένα, σύμφωνα με την διαθεσιμότητα. Στην πραγματικότητα το μεγαλύτερο μέρος θρεπτικών καταλήγει στα ιζήματα. Η αναπνοή και η απέκκριση μοντελοποιούνται όπως και στο φυτοπλαγκτόν. Η περιγραφή της ανάπτυξης και θνησιμότητας της βλάστησης γίνεται 151

158 λαμβάνοντας υπόψη έναν διορθωτικό παράγοντα, που εξαρτάται από την πυκνότητα της βλάστησης και προέκυψε από εμπειρική- λογιστική προσέγγιση της ανάπτυξης, ώστε να συνυπολογίζονται κι άλλοι παράμετροι, που δεν προσομοιώνονται, όπως ο περιορισμός χώρου. Μία λίμνη έχει ένα μέγιστο όριο πυκνότητας βλάστησης, που επιτρέπει να αναπτυχθεί, «μία φέρουσα ικανότητα». Προαιρετικά, μπορούν να προσδιοριστούν, ως δεδομένα εισόδου, ο ρυθμός βόσκησης της βλάστησης από φυτοφάγα πουλιά καθώς και η απομάκρυνση μακρόφυτων από τον ανθρώπινο παράγοντα. Η βλάστηση, με την σειρά της, επηρεάζει με έμμεσο τρόπο κάποιες άλλες διεργασίες στην λίμνη. Για παράδειγμα παρεμποδίζει την επαναιώρηση και επιδρά στις δύο μεγάλες λειτουργικές ομάδες ιχθύων, στην μία θετικά και στην άλλη αρνητικά. Τροφική αλυσίδα: Η υπορουτίνα της τροφικής αλυσίδας διατηρείται όσο το δυνατό απλούστερη και περιλαμβάνει το ζωοπλαγκτόν, τα μακροβένθη, τους λευκοκορέγονους (με ηλικιακή διάκριση σε νεαρούς και γηραιούς) και τα αρπακτικά ψάρια. Η γενική εξίσωση για την ζωική ομάδα είναι: dx/dt = (σίτιση απεκκρίσεις) αναπνοή θνησιμότητα θήρευση σε συνδυασμό με μία διόρθωση εξαρτημένη από τις αντίστοιχες πυκνότητες του κάθε τροφικού επιπέδου (Hallam et al., 1983; Traas, 2004). Το ζωοπλαγκτόν τρέφεται από φυτοπλαγκτόν και οργανικά υπολείμματα. Η βόσκηση περιγράφεται ως τύπου Monod κινητική μίας συγκέντρωσης αιωρούμενων βιολογικών κι οργανικών σωματιδίων με την μέση κοκκομετρική διάμετρο να μειώνεται ακολουθώντας υπερβολική κατανομή, ενόσω αυξάνεται η συγκέντρωση. Μία μεταβλητή 152

159 «επιλεκτικότητας» χρησιμοποιείται για το κάθε είδος ώστε να συνυπολογίζεται η προτίμηση βόσκησης του ζωοπλαγκτού: άλλες άλγεις > διάτομα > οργανικά υπολείμματα > κυανοβακτήρια (e.g. Gliwicz, 1980). Ο συντελεστής αφομοίωσης για την καταναλωμένη τροφή είναι σταθερός και χαμηλός (0.3) για τον άνθρακα (Gulati et al., 1985), αλλά είναι μεταβλητός για τον φώσφορο κι εξαρτώμενος από την εσωτερική περιεκτικότητα της τροφής σε αυτόν. Έτσι ο συντελεστής αφομοίωσης του φωσφόρου διατηρείται συνήθως υψηλότερος. Αυτός είναι ένας από τους μηχανισμούς που διαφοροποιούν την περιεκτικότητα του φωσφόρου στα διάφορα επίπεδα της τροφικής αλυσίδας. Τα ζωοβένθη θεωρείται ότι τρέφονται από καθιζάνοντα οργανικά υπολείμματα και επικαθήμενες άλγεις, επίσης με κινητική τύπου Monod (τύπου ΙΙ). Επίσης θεωρείται ότι φέρουν ικανότητα αφομοίωσης φωσφόρου, μέσω της τροφής, συγκρίσιμη με αυτή του ζωοπλαγκτού. Όλες οι διεργασίες θήρευσης των αρπακτικών ψαριών προσομοιώνονται με μία τύπου ΙΙΙ απόκριση (Holling, 1965): ο ρυθμός θήρευσης των αρπακτικών ψαριών εξαρτάται από την πυκνότητα της λείας στην υδάτινη στήλη σύμφωνα με μια σιγμοειδή καμπύλη. Οι μικροί λευκοκορέγονοι τρέφονται με ζωοπλαγκτόν, οι μεγάλοι λευκοκορέγονοι με ζωοβένθη και τα αρπακτικά ψάρια τρέφονται και με τα δύο είδη λευκοκορέγονων. Η ωοτοκία προσομοιώνεται ως μεταφορά, κάθε Μάιο, μικρού ποσοστού βιομάζας μεγάλων (ενήλικων) σε βιομάζα μικρών (ανήλικων). Στο τέλος κάθε χρόνου, μισή βιομάζα των μικρών μετατρέπεται σε βιομάζα των μεγάλων. Επίσης, οι λευκοκορέγονοι θεωρείται έχουν έναν σχετικά μεγάλο συντελεστή αφομοίωσης φωσφόρου, εφόσον η εσωτερική ποσόστωση σε φώσφορο των ψαριών είναι μεγαλύτερη από την αντίστοιχη των κατώτερων οργανισμών της τροφικής αλυσίδας (Kitchell et al., 1975). Για τα αρπακτικά ψάρια, αυτός ο μηχανισμός 153

160 δεν παίζει κάποιο ρόλο πλέον. Μία έμμεση επίδραση των μεγάλων λευκοκορέγονων που περιλαμβάνεται στο μοντέλο είναι η αναμόχλευση που δημιουργεί στον πυθμένα κατά τη διαδικασία της θήρευσης, δημιουργώντας μία ροή σωματιδίων και θρεπτικών στην υδάτινη στήλη (Breukelaar et al., 1994). Τα αρπακτικά ψάρια θεωρείται ότι εξαρτώνται από την ύπαρξη βλάστησης. Η φέρουσα ικανότητά τους μπορεί να εξαρτάται από το μέγεθος της παρακείμενης ελώδους περιοχής. Υπορουτίνα των ελωδών περιοχών: Η υπορουτίνα των ελωδών περιοχών αποτελεί σύζευξη δύο προσομοιώσεων διεργασιών, μίας απλής καμπύλης ανάπτυξης για τους κάλαμους (Haslam, 1973; Dykyjová & Kve t, 1978; Björndahl, 1983), συνδυασμένης με μία περιγραφή των διεργασιών των θρεπτικών στην υδάτινη στήλη και του ανώτερου στρώματος ιζημάτων του πυθμένα αυτών των περιοχών, ανάλογη προς την αντίστοιχη στην περιοχή της λίμνης. Η βιομάζα της βλάστησης των ελών χωρίζεται σε ρίζωμα και βλαστό με μία αναλογία ως δύο ξεχωριστές μεταβλητές. Η εποχιακή ανάπτυξη μοντελοποιείται ως μεταφορά μέρους του ποσοστού των ριζωμάτων σε ποσοστό βλαστού, την άνοιξη, φωτοσυνθετική ανάπτυξη κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού και αντίστροφης πορείας μεταφορά το φθινόπωρο. Η ανάπτυξη, το καλοκαίρι, εξαρτάται από το βάθος νερού, το άζωτο (Ν) και φώσφορο (P) στο ανώτερο στρώμα ιζημάτων του πυθμένα, την ακτινοβολία και τη θερμοκρασία. Τα θρεπτικά προσλαμβάνονται μόνο από το ανώτερο στρώμα ιζήματος. Προαιρετικά, τακτικός καθαρισμός της βλάστησης μπορεί να ληφθεί υπόψη. Ο περιγραφές των στοιχείων και διεργασιών (αποικοδόμηση οργανικής ύλης, καθίζηση, προσρόφηση φωσφόρου (P), νιτροποίηση και απονιτροποίηση) είναι ανάλογες 154

161 με αυτές του μοντέλου στη λίμνη, με τις διαφορές ότι το βάθος νερού είναι πολύ χαμηλότερο (προεπιλεγμένη τιμή 0.5m), οι ταχύτητες καθίζησης είναι υψηλότερες λόγω της απουσίας της επίδρασης του ανέμου, οπότε η επαναιώρηση θεωρείται μηδενική. Το φυτοπλαγκτόν θεωρείται ότι δεν αναπτύσσεται υπό τη σκιά των καλάμων. Η επικοινωνία των υδάτινων στηλών της λίμνης και του έλους περιγράφεται με έναν συντελεστή ανταλλαγής (που αναπαριστά την μεταφορά λόγω διασποράς και λόγω διαφοράς σταθμών), πολλαπλασιασμένο με τη διαφορά συγκεντρώσεων. Η σχέση του έλους με τον πληθυσμό των ψαριών εντός της λίμνης, αρκείται στην περιγραφή του έλους ως περιοχή αναπαραγωγής των αρπακτικών ψαριών. Θεωρείται ότι η μέγιστη δυνατή βιομάζα αυτών των ψαριών αυξάνεται, μέχρι ένα όριο, με την έκταση του έλους (Ligtvoet & Grimm, 1992). Είσοδοι κι έξοδοι Ο χρήστης πρέπει να εισάγει τους εξής παράγοντες: a) Χαρακτηριστικά της λίμνης Μέσο βάθος νερού [m] Επιφάνεια λίμνης, εκφρασμένη ως ανάπτυγμα Ιζήματα: περιεκτικότητα ξηρού βάρους [%] περιεκτικότητα σε οργανικά [% ξηρού βάρους] περιεκτικότητα ιλύος [%] ή Fe και Al [mg/g] 155

162 ή αν δεν είναι διαθέσιμα τα παραπάνω δεδομένα γίνεται μία εκτίμηση του τύπου του ιζήματος, π.χ. αργιλώδες, αμμώδες, τυρφώδες Ελώδης περιοχή [-] b) Εισροές νερού και θρεπτικών Υδραυλική παροχή [mm/d] ή χρόνος παραμονής [d] Υπόγειες διαφυγές ή υπόγεια τροφοδότηση [mm/d] Εξωτερική φόρτιση P, N και Si [g/m 2 /d] ή αντίστοιχες συγκεντρώσεις των παροχών εισόδου [mg/l]: άθροισμα των σημειακών πηγών των διάχυτων πηγών κα της επιφανειακής εισροής. Εκτίμηση της % φόρτισης διαλυμένης και σωματιδιακής. Παροχή μάζας ή αντίστοιχη συγκέντρωση των υδραυλικών παροχών εισόδου ανόργανων αιωρούμενων σωματιδίων. c) Άλλες είσοδοι Θερμοκρασία νερού Ηλιακή ακτινοβολία d) Ιστορικό λίμνης και διαχείριση Συγκεντρώσεις P και Ν στο ανώτερο στρώμα ιζημάτων στον πυθμένα, ή εκτίμηση του ιστορικού φόρτισης με θρεπτικά Ένταση αλιείας [d -1 ] 156

163 Πιθανά διαχειριστικά μέτρα όπως βιοδιαχείριση, βυθοκόρηση και καθαρισμός καλάμων Ως έξοδοι προκύπτουν οι συγκεντρώσεις ή βιομάζες όλων των μεταβλητών σε οποιοδήποτε επιθυμητό χρονικό διάστημα. Κάποιες σημαντικές έξοδοι είναι: Ολικός φώσφορος (TP) [mgp/l] = PO 4 + P ads + P των οργανικών υπολειμμάτων + P των άλγεων Ολικό άζωτο (TN) [mgn/l] = NH 4 + NO 3 + N των οργανικών υπολειμμάτων + N των άλγεων Χλωροφύλλη-α (CHla) [mg m -3 ] = το άθροισμα όλων των λειτουργικών ομάδων του παράγοντα: βιομάζα άλγεων * αναλογία Chla/D Διαφάνεια νερού: βάθος Secchi [m]= βάθος διείσδυσης της ηλιακής ακτινοβολίας στο νερό, μετρημένη από τον δίσκο του Secchi. 9.7 Κρίσιμο φορτίο σε ρηχές λίμνες Απόκριση της προσομοίωσης σε βάθος χρόνου Αποτελεί κοινή γνώση ότι τα υδάτινα οικοσυστήματα συνήθως προσαρμόζονται αργά στις αλλαγές των επιπέδων των θρεπτικών. Ένας από τους λόγους που συμβαίνει 157

164 αυτό, είναι η αργή αντίδραση των ιζημάτων και η μεγάλη απελευθέρωση θρεπτικών από τα ιζήματα για πολλά χρόνια μετά τη μείωση της φόρτισης της λίμνης. Για να διερευνηθεί αυτό το φαινόμενο με το μοντέλο PClake, διεξήχθησαν προσομοιώσεις μεγάλων χρονοσειρών για μία υποθετική λίμνη η οποία θεωρείται αντιπροσωπευτική πολλών ολλανδικών ρηχών λιμνών. Τα κύρια χαρακτηριστικά είναι: μέσο βάθος = 2 m, ανάπτυγμα ανέμου = 1000 m, επιφανειακή υδραυλική παροχή = 20 mm/day (= 7.2 m/yr), χωρίς υπόγεια διήθηση ή τροφοδότηση, χωρίς ελώδεις περιοχές περιμετρικά και με ελαφρώς αργιλώδη ιζήματα (30% ξηρή μάζα, από την οποία το 10% είναι οργανική και το 10% ανόργανη). Αυτή η μέση λίμνη αρχικά υπόκειται σε υψηλή φόρτιση θρεπτικών (20 mg P m -2 d -1 και 200 mg N m -2 d -1 ) για 100 έτη, ώστε να δημιουργηθεί ίζημα πλούσιο σε N και P: 13 g m -2 διαθέσιμου P and 43 g m -2 διαθέσιμου N σε βάθος 10 cm του ανώτερου στρώματος του πυθμένα της λίμνης. Με τον όρο διαθέσιμο εννοείται το σύνολο των θρεπτικών εκτός της βραδύκαυστης οργανικής ύλης. Στη συνέχεια, η φόρτιση μειώθηκε στο 10% της αρχικής για τα επόμενα 100 έτη προσομοίωσης. Ως αποτέλεσμα, ο διαθέσιμος P στα ιζήματα μειώθηκε σταδιακά μέχρι να ισορροπήσει στα 3,5 g m -2 και το διαθέσιμο N αντίστοιχα στα 9 g m -2 (Διαγράμματα 9.2). Επίσης, η συγκέντρωση των θρεπτικών στην υδάτινη στήλη ακολούθησε παρόμοια μείωση. Η μεγαλύτερη μείωση σημειώθηκε τα πρώτα χρόνια. Μία ακόμα μεγαλύτερη μείωση της φόρτισης, σε 0.5 mg P m -2 d -1 και 5 mg N m -2 d -1, ξεκινώντας από τις ίδιες ευτροφικές συνθήκες, οδηγεί σε μετατροπή των άλγεων σε μακρόφυτα (Διαγράμματα 9.1) Επίσης σ' αυτή την περίπτωση παίρνει 15 έτη, ώστε η συγκέντρωση P στα ιζήματα να φτάσει στη νέα χαμηλότερη τιμή. Ο βραδύκαυστος P δεν 158

165 ισορροπεί σε κάποια τιμή, εφόσον συνεχώς βυθίζεται σε βαθύτερα στρώματα του πυθμένα, χωρίς να ανανεώνεται. Το στρώμα του πυθμένα, που λαμβάνει υπόψη το μοντέλο, είναι σταθερού πάχους και πορώδους. Τα άλγη σταδιακά μειώνονται έως ότου σε βάθος 8 ετών αγγίξουν χαμηλά επίπεδα. Ακολουθεί η αντικατάστασή τους από μακρόφυτα. Επειδή τα μακρόφυτα χρειάζονται λίγα έτη για να αποκτήσουν υψηλή βιομάζα, η συγκέντρωση ολικού φωσφόρου (ΤP) στο νερό προσωρινά αυξάνεται στη μεταβατική περίοδο, μέχρι να ξαναπέσει σε χαμηλά επίπεδα. Η συγκέντρωση του διαθέσιμου αζώτου μετά τη σταθεροποίηση των μακρόφυτων αυξάνεται λίγο, πιθανόν εξαιτίας του μεγαλύτερου χρόνου παραμονής του συγκριτικά με την προηγούμενη κατάσταση της λίμνης. Μία ρηχή λίμνη, κατά τη μετατροπή της από την κατάσταση που επικρατούν άλγη στην κατάσταση επικράτησης των μακρόφυτων, συνήθως παρουσιάζει υστέρηση όσον αφορά στην απόκρισή της σε αλλαγές φόρτισης (Διαγράμματα 9.3). Για να αναδειχθεί η υστέρηση, γίνεται η προσομοίωση της λίμνης ξεκινώντας από μεσοτροφικές συνθήκες και φόρτισης 1.5 mg P m -2 d -1, ενώ ακολουθούν 20 χρόνια πενταπλάσιας φόρτισης P και άλλα 20 με μείωση στην αρχική εισροή P. Η απόκριση της συγκέντρωσης του P στα ιζήματα εμφανίζει καθυστέρηση κάποιων ετών σε σχέση με τις αλλαγές. Αντιδρά πιο αργά στην περίοδο της μείωσης. Τα μακρόφυτα που εξαφανίζονται μετά την αύξηση της φόρτισης δεν επανεμφανίζονται μετά τη μείωσή της. Η συγκέντρωση της χλωροφύλλης-α μειώνεται μετά την μείωση, αλλά δεν επανέρχεται στις αρχικές χαμηλές τιμές. Εντούτοις, ο ευτροφισμός μετέτρεψε το σύστημα από κατάσταση διαύγειας και επικράτησης μακρόφυτων σε θολερή κατάσταση επικράτησης κυανοβακτηρίων. Αυτή η διεργασία δεν μπορεί να αναστραφεί μόνο με μείωση της εισροής θρεπτικών, σε συμφωνία και με τις μετρήσεις πεδίου σε διάφορες λίμνες (Gulati & Van Donk, 2002). 159

166 Διαγράμματα 9.1: Προσομοιώσεις σε βάθος χρόνου με πολύ χαμηλή φόρτιση θρεπτικών ξεκινώντας από ευτροφική κατάσταση α) Διαθέσιμος φώσφορος (P) στο άνω στρώμα των ιζημάτων [gp m-2], β) ολικός φώσφορος (P) στο άνω στρώμα των ιζημάτων [gp m-2], γ) διαθέσιμο άζωτο (Ν) στο άνω στρώμα των ιζημάτων [gν m-2], δ) ολικός φώσφορος (P) στην υδάτινη στήλη [gp m-3], ε) χλωροφύλλη-α [mg m-3], στ) μακρόφυτα [% κάλυψη του πυθμένα] 160

167 Διαγράμματα 9.2: Προσομοιώσεις σε βάθος χρόνου με μικρή φόρτιση θρεπτικών και με ευτροφική αρχική κατάσταση α) διαθέσιμος φώσφορος (P) στο άνω στρώμα των ιζημάτων [g P m-2], β) ολικός φώσφορος (P) στο άνω στρώμα των ιζημάτων [g P m-2], γ) διαθέσιμο άζωτο (Ν) στο άνω στρώμα των ιζημάτων [g Ν m-2], δ) ολικός φώσφορος (P) στην υδάτινη στήλη [g P m-3] Διαγράμματα 9.3: Προσομοίωση της μέσης λίμνης με αρχική τη διαυγή κατάσταση, για 1-20 έτη χαμηλής φόρτισης, για έτη υψηλής φόρτισης και έτη χαμηλής φόρτισης 161

168 Οι επιδράσεις της φόρτισης με θρεπτικά και των αρχικών συνθηκών σε μια μέση λίμνη Για τη διερεύνηση της μακροπρόθεσμης επίδρασης διαφορετικών φορτίσεων θρεπτικών, γίνονται προσομοιώσεις 50 ετών με ανά περίπτωση σταθερή φόρτιση που κυμαίνεται από 0 ως 10 mg P m -2 d -1. Η εισροή αζώτου ορίζεται δεκαπλάσια του P. Για κάθε περίπτωση, η προσομοίωση γίνεται δύο φορές, ξεκινώντας είτε από την κατάσταση επικράτησης των μακρόφυτων ή από την κατάσταση επικράτησης του φυτοπλαγκτού (Διαγράμματα 9.4). Οι σχέσεις μεταξύ της εισροής θρεπτικών και χλωροφύλλης, και μεταξύ της εισροής θρεπτικών και της βιομάζας μακρόφυτων είναι μη γραμμικές, με απότομη αύξηση της χλωροφύλλης από χαμηλές τιμές (επικράτηση μακρόφυτων) σε υψηλές τιμές (επικράτηση φυτοπλαγκτού). Επιπρόσθετα, η απόκριση εμφανίζει υστέρηση, με το κρίσιμο φορτίο να είναι διαφορετικό στις δύο διαφορετικές εξεταζόμενες περιπτώσεις. Το κρίσιμο φορτίο για την αλλαγή από θολερή σε διαυγή κατάσταση είναι πολύ χαμηλότερο από αυτό της αντίστροφης αλλαγής, 0.9 και 3 mg P m -2 d -1, αντίστοιχα. Σύμφωνα με τα παραπάνω, το βάθος Secchi επίσης εμφανίζει απότομη μεταβολή από υψηλές σε χαμηλές τιμές, όταν αλλάζει η κατάσταση (Διάγραμμα 7.4 γ). Οι συγκεντρώσεις του ολικού P και ολικού N είναι ανάλογες της φόρτισης όταν έχουμε θολερή κατάσταση, αλλά είναι πολύ μικρότερες όταν έχουμε διαυγή κατάσταση. Αυτές οι μεταβολές και οι υστερήσεις εμφανίζονται επίσης και στη βιομάζα των διάφορων ζωικών ομάδων. Όταν η λίμνη βρίσκεται σε θολερή κατάσταση, το ζωοπλαγκτόν εμφανίζει μία σχεδόν ασυμπτωτική σχέση με τη φόρτιση. Στην διαυγή κατάσταση η βιομάζα του ζωοπλαγκτού είναι μικρότερη πιθανόν εξαιτίας της μικρότερης διαθεσιμότητας σε τροφή. 162

169 Ωστόσο, ο λόγος ζωοπλαγκτού - φυτοπλαγκτού είναι πολύ μεγαλύτερος. Τα ζωοβένθη είναι περισσότερα στη διαυγή κατάσταση, εξαιτίας της μεγαλύτερης διαθεσιμότητας σε τροφή (οργανική ύλη στα ιζήματα). Οι μικροί λευκοκορέγονοι (πλαγκτοβόρα) έχουν υψηλότερη βιομάζα, όταν η λίμνη είναι θολερή παρά διαυγής. Το αντίθετο ισχύει για τα μεγάλα ψάρια (βενθοβόρα). Η βιομάζα των αρπακτικών ψαριών είναι υψηλή μόνο στη διαυγή κατάσταση (με ένα όριο που συνδέεται με τη φέρουσα ικανότητα της λίμνης). Αυτό αντανακλάται σε ένα μεγαλύτερο λόγο αρπακτικών ψαριών- λευκοκορέγονων. Διαγράμματα 9.4: Προσομοιώσεις της μέσης ρηχής λίμνης για εύρος φόρτισης με φώσφορο (Ρ). Όλες οι προσομοιώσεις πραγματώνονται για δύο αρχικές καταστάσεις, μία διαυγή κατάσταση 163

170 επικράτησης μακρόφυτων (καμπύλη 1, κύκλοι) μία θολερή κατάσταση επικράτησης φυτοπλαγκτού (καμπύλη 2, τρίγωνα). Τα αποτελέσματα αφορούν στις μέσες θερινές τιμές για προσομοίωση 50 ετών ίδιων συνθηκών φόρτισης. Οι διάφορες μεταβλητές των αξόνων y εξετάζονται συναρτήσει διαφορετικών φορτίσεων με φώσφορο. α) χλωροφύλλη-α, β) βλάστηση, γ) βάθος Secchi, δ) ολικός φώσφορος (TP), ε) ολικό άζωτο (TN) και στ) ζωοπλαγκτόν Από τη σχέση των συγκεντρώσεων της προσομοιωμένης χλωροφύλλης-α και του ολικού P, προκύπτει κρίσιμη συγκέντρωση περίπου ίση με 0.05 mg P l -1. Το Σχήμα 9.6 δίνει μία σχηματική απεικόνιση του φαινομένου της υστέρησης. Σχήμα 9.6: Απεικόνιση του φαινομένου της υστέρησης, όπως αυτό προσομοιώθηκε από το PCLake. Αριστερά: μεταβολή της κατάστασης σε θολερή, δεξιά: μεταβολή της κατάστασης σε διαυγή (αποκατάσταση) (Van Liere & Jonkers) 164

171 Κρίσιμο φορτίο για διαφορετικούς τύπους λιμνών Παρόμοιες προσομοιώσεις γίνονται για διάφορους συνδυασμούς άλλων τύπων λίμνης. Οι παράγοντες που ακολουθούν ποικίλλουν, όταν λαμβάνονται υπόψη μεμονωμένα αλλά και σε συνδυασμό: (Σημείωση: ο αστερίσκος υποδηλώνει την τιμή της λίμνης που χρησιμοποιήθηκε στην προσομοίωση της παραπάνω παραγράφου.) υδραυλική παροχή: 10, 20*, 40 ή 80 [mm d -1 ] βάθος νερού: 1, 1.5, 2*, 3 ή 4 [m] ανάπτυγμα ανέμου: 100, 300, 1000* ή 3000 [m] λόγος φόρτισης N/P: 10* ή 3 [g N / g P] ελώδης περιοχή: 0.001*, 0.15, 0.3 ή 1.0 [ m 2 έλος. m -2 λίμνη] τύπος ιζήματος: 1=άργιλος*, 5=τύρφη, 6=άμμος ρυθμός ψαρέματος: 0, * ή 0.01 [d -1 ] αρχική κατάσταση (1=διαυγής, 2=θολερή) ο ρυθμός φόρτισης με P σε όρους παροχής μάζας, ο οποίος κυμαίνεται από 0,005 έως 1,0 mg P l -1 σε 35 βήματα: [ :0.01: :0.02: :0.1:1.0]. Τα μέσα θερινά αποτελέσματα της προσομοίωσης μετά από 20 έτη χρησιμοποιούνται για την ανάλυση. Τα 20 έτη είναι ικανοποιητικό χρονικό διάστημα, ώστε να φτάσει το σύστημα στην καινούρια ισορροπία, παρότι για να ισορροπήσει ο P μπορεί να χρειάζεται μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Οι τιμές του κρίσιμου φορτίου υπολογίζονται με γραμμική παλινδρόμηση. Η θερινή μέση φυτοκάλυψη επιλέγεται να είναι 20%, εφόσον η 165

172 τιμή αυτή είναι αντιπροσωπευτική μιας λίμνης, η οποία βρίσκεται σε κατάσταση εναλλαγής των δύο φάσεων. Με την ανάγνωση των Διαγραμμάτων 9.5 προκύπτουν τα εξής συμπεράσματα: Με την αύξηση του αναπτύγματος του ανέμου (επιφάνεια λίμνης), μειώνονται οι τιμές αμφότερων των κρίσιμων φορτίων. Η αύξηση του βάθους της λίμνης επίσης μειώνει τα δύο κρίσιμα φορτία. Το κρίσιμο φορτίο αυξάνεται με την υδραυλική παροχή (μειώνεται με τον χρόνο παραμονής). Η κρίσιμη φόρτιση είναι μικρότερη για λίμνες τυρφώδους πυθμένα, μεγαλύτερη για λίμνες αμμώδους πυθμένα και ενδιάμεση για λίμνες αργιλώδους πυθμένα. Η επίδραση των παραγόντων αναδεικνύεται για μεταβολή του καθενός ξεχωριστά, χωρίς να μεταβάλλονται οι υπόλοιποι. Αυτό πρακτικά είναι ανέφικτο, καθώς οι παράγοντες αλληλοσχετίζονται. Για παράδειγμα η υδραυλική παροχή έχει θετική συσχέτιση με την παροχή μάζας των θρεπτικών. Μεγαλύτερος ρυθμός ψαρέματος τείνει να αυξήσει το κρίσιμο φορτίο, αν και τα αποτελέσματα στο εύρος μελέτης που έχει γίνει, αφορούν κυρίως σε θολερή λίμνη, χωρίς να γίνεται η αλλαγή. Η ύπαρξη ελωδών περιοχών αυξάνει τα κρίσιμα φορτία σε μεγάλο βαθμό. Οι παραπάνω παρατηρήσεις γενικά αφορούν στα κρίσιμα φορτία και των δύο κατευθύνσεων μεταβολής, δεδομένου ότι οι μεταβολές του κρίσιμου φορτίου που αφορούν στη μεταβολή προς θολερή λίμνη είναι μεγαλύτερες. Δηλαδή οι μηχανισμοί που αντιστέκονται στον ευτροφισμό είναι πιο ευαίσθητοι. Επίσης η απόσταση στα διαγράμματα των δύο γονάτων μπορεί να διαφέρει ανάλογα με τις συνθήκες. Σε ακραίες συνθήκες, όπως για παράδειγμα σε πολύ μεγάλη επιφάνεια λίμνης, τα σημεία αλλαγής σχεδόν συμπίπτουν και έτσι το φαινόμενο της υστέρησης αποδυναμώνεται. 166

173 Οι μέσες θερινές συγκεντρώσεις της χλωροφύλλης φαίνονται συναρτήσει του ολικού φωσφόρου εντός της λίμνης, έτσι ώστε τα κρίσιμα φορτίσεις να μεταφραστούν σε κρίσιμες συγκεντρώσεις φωσφόρου, μία μεταβλητή που μπορεί μετρηθεί πιο εύκολα από τους διαχειριστές της λίμνης (Διαγράμματα 9.6). Παρατηρείται ότι για τον πιο συχνό τύπο λίμνης, η κρίσιμη συγκέντρωση φωσφόρου κυμαίνεται από mg P m -3, όταν η μετατροπή γίνεται από την θολερή κατάσταση, και mg P m -3 για την αντίθετη πορεία. α) ανάπτυγμα ανέμου [m] 167

174 β) βάθος νερού [m] γ) ειδική παροχή [mm/d] 168

175 δ) κάλυψη ελωδών περιοχών [-] Διαγράμματα 9.5: Προσομοιώσεις διαφορετικών τύπων λιμνών για ένα εύρος τιμών φόρτισης με φώσφορο. Η ανά περίπτωση παράμετρος εισόδου εξετάζεται για διαφορετικές της τιμές, ενώ οι υπόλοιπες παραμένουν σταθερές με τιμές αυτές της μέσης λίμνης. όλες οι προσομοιώσεις διεξάγονται για δύο αρχικές καταστάσεις (διαυγής: 1, θολερή: 2). Οι έξοδοι αφορούν στα μέσα θερινά επίπεδα χλωροφύλλης-α μετά από 20 έτη ίδιων συνθηκών φόρτισης φωσφόρου (P) α) διαφορετικά αναπτύγματα ανέμου [m] 169

176 β) διαφορετικό βάθος νερού [m] γ) διαφορετικές ειδικές υδραυλικές παροχές [mm/d] 170

177 Διαγράμματα 9.6: Προσομοιώσεις της χλωροφύλλης-α συναρτήσει των συγκεντρώσεων ολικού φωσφόρου στη λίμνη για διαφορετικούς τύπους λιμνών Εμπλεκόμενοι μηχανισμοί Το φαινόμενο της υστέρησης, όπως προκύπτει από τις προσομοιώσεις μπορεί να εξηγηθεί από διάφορους μηχανισμούς που λαμβάνουν χώρα στο μοντέλο. Η δυσκολία είναι ότι τόσο το φυτοπλαγκτόν όσο και τα μακρόφυτα, άμεσα ή έμμεσα προωθούν τις δικές τους ιδανικές συνθήκες διαβίωσης και λειτουργούν ανασταλτικά για τις συνθήκες διαβίωσης του άλλου. Ο περιορισμός της ηλιακής ακτινοβολίας είναι ο σημαντικότερος παράγοντας για τα μακρόφυτα. Χρειάζονται διαυγές νερό, με την ηλιακή ακτινοβολία να φτάνει στον πυθμένα. Παράλληλα, κρατούν το νερό διαυγές με αρκετούς μηχανισμούς: η ειδική απορρόφηση φωτός των μακρόφυτων είναι χαμηλή (πολύ χαμηλότερη από αυτή του φυτοπλαγκτού), μειώνουν την επαναιώρηση σταθεροποιώντας τα ιζήματα και αναστέλλουν την ανάπτυξη του φυτοπλαγκτού με την ανταγωνιστική πρόσληψη των θρεπτικών. Επιπλέον, διαχειρίζονται την καθύψος ανάπτυξη του φυτοπλαγκτού, υποβοηθώντας τα αρπακτικά 171

178 ψάρια και εμποδίζοντας την πρόσληψη τροφής των βενθοβόρων ψαριών (όντας αυτά πλαγκτοβόρα σε μικρή ηλικία). Το φυτοπλαγκτόν, από την άλλη, υπερισχύει στον ανταγωνισμό σε πιο σκοτεινά και με μεγαλύτερο βάθος ύδατα, καθώς χρειάζεται λιγότερο φως για να αναπτυχθεί. Από τη στιγμή που θα κυριαρχήσει, κρατά το νερό θολερό, εξαιτίας της υψηλής απορρόφησης φωτός και επειδή εντείνει την ανακυκλοφορία των θρεπτικών στην υδάτινη στήλη. Τα ιζήματα που δεν καλύπτονται από βλάστηση, είναι πιο ευάλωτα σε επαναιώρηση, εξαιτίας της δράσης του ανέμου (κύματα) και της αναμόχλευσης από τα βενθοβόρα ψάρια. Έτσι υπάρχουν τρεις κύριοι μηχανισμοί που συνεργάζονται: οι επιδράσεις του φωτός, των θρεπτικών και της τροφικής αλυσίδας. Άλλοι μηχανισμοί που έχουν παρουσιαστεί ή προταθεί και συμβάλλουν επίσης είναι οι εξής: η απελευθέρωση αλληλοπαθητικών ουσιών από τα μακρόφυτα που αναστέλλουν την ανάπτυξη των άλγεων, η επικράτηση μεγαλύτερων ειδών ζωοπλαγκτού σε διαυγές νερό από τη στιγμή που απαλλάσσεται το σύστημα από τα αρπακτικά ψάρια, και άλλοι. Άλλοι μηχανισμοί, σε αντίθεση, μπορεί να λειτουργούν αποσταθεροποιητικά προς την υφιστάμενη κατάσταση, όπως η εμφάνιση ειδών ψαριού τα οποία είναι πιο ευπροσάρμοστα στις συνθήκες έντονης βλάστησης, ή ανάπτυξη αμυντικών μηχανισμών από το φυτοπλαγκτόν, ώστε να μη μειώσει την μάζα του λόγω βόσκησης. Αυτοί οι μηχανισμοί δεν συμπεριλαμβάνονται στο μοντέλο, καθώς θεωρούνται δευτερεύοντες. Η επίδραση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών της λίμνης μπορεί να εξηγηθεί ως εξής: Με την αύξηση του αναπτύγματος ανέμου, προκύπτουν χαμηλότερες τιμές κρίσιμου φορτίου (το ανάπτυγμα υπολογίζεται ως η τετραγωνική ρίζα της επιφάνειας της λίμνης). Το ανάπτυγμα λαμβάνεται κυρίως υπόψη στο μοντέλο στις εξισώσεις επαναιώρησης και καθίζησης: μεγαλύτερο ανάπτυγμα προκαλεί αύξηση του ρυθμού επαναιώρησης και 172

179 μείωση του ρυθμού καθίζησης των άλγεων και λοιπών αιωρούμενων σωματιδίων, ώστε να αναπαρασταθούν οι μεγαλύτερες επιδράσεις των κυμάτων σε μεγαλύτερες λίμνες. Έτσι, ένα μεγαλύτερο ανάπτυγμα μπορεί να ευνοήσει τη θολερή κατάσταση μιας λίμνης με δύο μηχανισμούς. Συγκεκριμένα, αυξάνεται η θολερότητα του νερού και η απελευθέρωση θρεπτικών από τα ιζήματα, λόγω φυσικών αιτίων. Το βάθος νερού επιδρά στην ανάπτυξη των μακρόφυτων, μέσω της εξάρτησής της από τις συνθήκες φωτός κάτω από την επιφάνεια του νερού. Η εκθετική μείωση της έντασης του φωτός με το βάθος θέτει ένα όριο βάθους επιβίωσης των φυτών. Επίσης, οι περιορισμένες απώλειες θρεπτικών σε ιζήματα, όταν έχουμε μεγάλα βάθη, ευνοούν την ανάπτυξη φυτοπλαγκτού, το οποίο τα καταναλώνει πριν καθιζάνουν. Ομοίως, επιδρά και ο μεγαλύτερος χρόνος παραμονής, δεδομένου ότι δεν αλλάζει η υδραυλική παροχή. Από την άλλη, ο ρυθμός επαναιώρησης είναι χαμηλότερος σε λίμνες με μεγαλύτερο βάθος, όπως μικρότερη είναι και η επίδραση των βενθοβόρων ψαριών. Συμπερασματικά, το μεγάλο βάθος μειώνει το κρίσιμο φορτίο. Η αύξηση της υδραυλικής παροχής, διατηρώντας την παροχή μάζας θρεπτικών σταθερή, αυξάνει το ρυθμό απώλειας μάζας του φυτοπλαγκτού κι έτσι προκαλεί τη μείωση της βιομάζας των άλγεων, ευνοώντας την ανταγωνιστική ισχύ των μακρόφυτων. Από την άλλη, μειώνεται και η βόσκηση του ζωοπλαγκτού. Μια άλλη επίδραση είναι ότι από τις ομάδες του φυτοπλαγκτού επικρατούν περισσότερο τα διάτομα και οι υπόλοιπες άλγεις σε σχέση με τα αργά αναπτυσσόμενα κυανοβακτήρια. Τα πρώτα ανταπεξέρχονται καλύτερα στους μεγαλύτερους ρυθμούς διάλυσης. Στην πραγματικότητα, η υδραυλική παροχή και η φόρτιση με θρεπτικά συσχετίζονται θετικά, ωστόσο, στο μοντέλο αντιμετωπίζονται ανεξάρτητα. 173

180 Η θετική επίδραση των ελών μπορεί να αποδοθεί με αρκετούς μηχανισμούς του μοντέλου: η πρόσθεση μιας επιπλέον περιοχής καθίζησης, η πρόσληψη θρεπτικών από την βλάστηση των ελών, μεγαλύτερη απονιτροποίηση και εξασφάλιση καταφυγίου για τα αρπακτικά ψάρια (που μοντελοποιείται με μεγαλύτερη φέρουσα ικανότητα για αυτή την ομάδα). Τα τρία πρώτα είναι ευθέως ανάλογα της έκτασης του έλους, ενώ η φέρουσα ικανότητα αυξάνεται έως και 15 % της αρχικής της τιμής. Τα ψάρια μελετώνται ξεχωριστά: προκύπτει ότι επηρεάζουν μόνο το κρίσιμο φορτίο για την μετατροπή της λίμνης σε θολερή κι όχι την αντίθετη πορεία. Αυτό καταδεικνύει ότι τα αρπακτικά ψάρια κυρίως παίζουν ρόλο στην σταθεροποίηση της διαυγούς κατάστασης κι όχι τόσο στην αποκατάστασή της από θολερή. Υποδείξεις διαχείρισης Η διαχείριση των λιμνών, γενικά, αποσκοπεί στην διατήρηση της κατάστασης επικράτησης μακρόφυτων, ή στην αποκατάσταση προς αυτή. Αυτό παρακινείται από το γεγονός, ότι αυτή η κατάσταση είναι η ιστορικά συνηθέστερη, χωρίς ανθρώπινη ακόμα παρέμβαση. Επίσης παρακινείται από την γενικότερη επιθυμία για υψηλότερη βιοποικιλότητα και την ανθρώπινη ανάγκη για νερό σε πόσιμη μορφή. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται στις προηγούμενες παραγράφους αναδεικνύουν το θετικό ρόλο που μπορεί να παίξει ένα μοντέλο, όπως το PClake, στην επιλογή μιας στρατηγικής διαχείρισης. Η βασική στρατηγική διαχείρισης για αποκατάσταση μιας θολερής λίμνης είναι η μείωση της εξωτερικής φόρτισης με θρεπτικά σε ένα επίπεδο χαμηλότερο του κατωφλίου αποκατάστασης. Σε πολλές περιπτώσεις, ωστόσο, ο στόχος δεν είναι εύκολο να επιτευχθεί. Μερικές φορές, μπορεί να είναι δυνατή, η παρέμβαση σε μία από τις εισαγόμενες 174

181 μεταβλητές, ώστε να αυξηθεί το κρίσιμο φορτίο των θρεπτικών της προκείμενης λίμνης. Από τις προσομοιώσεις προκύπτουν οι εξής επιλογές: αύξηση της υδραυλικής παροχής και άρα μείωση χρόνου παραμονής (με προϋπόθεση ότι το επιπλέον νερό που εισέρχεται έχει λιγότερη συγκέντρωση P από τη λίμνη μείωση της επίδρασης του ανέμου στην καθίζηση κι επαναιώρηση, για παράδειγμα με τη δημιουργία παγίδων κατακράτησης ιζημάτων (εκβαθύνσεις) ή με διαμερισματοποίηση. μείωση του βάθους της λίμνης βελτίωση των συνθηκών επανακαθίδρυσης των ελωδών περιοχών που περιβάλλουν τη λίμνη ή συνδέονται με αυτή διαχείριση της βιοποικιλότητας με απομάκρυνση των πλαγκτοβόρων ψαριών Στα Διαγράμματα 9.7 φαίνονται οι επιδράσεις των υποδείξεων διαχείρισης για μέση φόρτιση. 175

182 Διαγράμματα 9.7: Προσομοιώσεις διάφορων επιλογών διαχείρισης για τη μέση λίμνη, βάθους 2 m. Η λίμνη αρχικά μετατράπηκε από διαυγή σε θολερή μέσω αύξησης της φόρτισης σε θρεπτικά και ακολούθησαν 3 επιλογές: (1) μείωση της φόρτισης στο αρχικό μέσο επίπεδο, (2) ομοίως συνδυασμένο με βιοδιαχείριση 5 έτη αργότερα και (3) μόνο βιοδιαχείριση συνεχίζοντας την υψηλή φόρτιση. β) χλωροφύλλη-α και γ) κάλυψη μακρόφυτων 176

183 Συμπεράσματα Τα αποτελέσματα του μοντέλου συνάδουν με τις παρατηρήσεις που έχουν γίνει για ρηχές λίμνες και καταδεικνύουν δύο εναλλακτικές καταστάσεις, διαυγούς και θολερού νερού (Timms & Moss, 1984; Hosper, 1989; Scheffer, 1990, 1998; Moss, 1990; Jeppesen et al., 1990, 1997, μεταξύ άλλων). Πολλοί παράγοντες καθορίζουν ποια κατάσταση επικρατεί σε κάθε περίπτωση. Ένας γενικός περιοριστικός παράγοντας είναι η εξωτερική φόρτιση με θρεπτικά. Σε πολύ υψηλή φόρτιση, μόνο η θολερή κατάσταση είναι σταθερή, ενώ στην αντίθετη περίπτωση επικρατεί η διαυγής. Για μια ενδιάμεση φόρτιση, μπορούν να συνυπάρχουν και οι δύο καταστάσεις και να εναλλάσσονται. Επειδή και οι δύο καταστάσεις διαθέτουν μια πληθώρα από αυτοσταθεροποιητικούς, ρυθμιστικούς μηχανισμούς, το επίπεδο της κρίσιμης φόρτισης, στο οποίο συμβαίνει αλλαγή, εξαρτάται από την αρχική κατάσταση της λίμνης. Η αλλαγή από θολερή σε διαυγή κατάσταση συμβαίνει σε πολύ χαμηλότερο επίπεδο φόρτισης απ' ότι το αντίθετο (υστέρηση). Οι προσομοιώσεις υποδεικνύουν ότι οι τιμές των δύο σημείων αλλαγής επηρεάζονται από συγκεκριμένα χαρακτηριστικά της λίμνης, όπως είναι το βάθος του νερού, η υδραυλική παροχή, η επιφάνεια της λίμνης, ο τύπος ιζήματος, η αλιεία και η ύπαρξη ελώδους περιοχής. Τα σημεία αλλαγής των δύο κατευθύνσεων επηρεάζονται, σύμφωνα με το μοντέλο, εν μέρει με διαφορετικό τρόπο. Αυτές οι επιδράσεις μπορούν να συσχετιστούν με συγκεκριμένους μηχανισμούς του μοντέλου. Για να αναλυθούν αυτές περισσότερο, δίνεται βαρύτητα στους αντίστοιχους οικολογικούς μηχανισμούς. Οικολογικοί μηχανισμοί: Στη βιβλιογραφία, πολλές φορές περιγράφονται τα φαινόμενα του ευτροφισμού και του ολιγοτροφισμού σε ρηχές λίμνες (e.g. Scheffer, 1998, Hosper, 1997, et al). Σε μία διαυγή, ολιγο-μεσοτροφική λίμνη, η βιομάζα των άλγεων 177

184 διατηρείται χαμηλή, λόγω του περιορισμού των θρεπτικών. Μια μέτρια αύξηση της εξωτερικής φόρτισης με θρεπτικά μπορεί να αντιμετωπιστεί από τα μακρόφυτα. Τα μακρόφυτα διατηρούν το νερό διαυγές, συγχρόνως ευνοώντας τις συνθήκες ανάπτυξής τους. Μία επιπλέον αύξηση της φόρτισης σταδιακά οδηγεί σε αύξηση της θολερότητας, λόγω της ανάπτυξης των άλγεων, έως ότου φτάσει το σύστημα σε συγκεκριμένη θολερότητα, όπου τα μακρόφυτα καταρρέουν. Η βιομάζα των άλγεων μπορεί να αυξηθεί περεταίρω με την αύξηση της φόρτισης, μέχρι να σταθεροποιηθεί, λόγω του περιορισμού του φωτός. Στην αντίθετη κατεύθυνση, καθώς η φόρτιση μειώνεται, οι συνθήκες ανάπτυξης των άλγεων αλλάζουν. Από περιοριστικός παράγοντας η ηλιακή ακτινοβολία, γίνεται πλέον περιοριστικός παράγοντας ο φώσφορος (P). Η βιομάζα των άλγεων σταδιακά μειώνεται μετά την μείωση της φόρτισης. Ο λόγος της χλωροφύλλης προς τον ολικό φώσφορο σταδιακά αυξάνεται (Van Liere & Janse, 1992; Janse et al., 1992, κεφάλαιο 10 της διατριβής). Εξαιτίας της έλλειψης των μακρόφυτων, το νερό παραμένει θολερό. Σε μία συγκεκριμένη φάση, η διαύγεια αυξάνεται αρκετά, ώστε να επιτρέπεται η επαναδημιουργία των μακρόφυτων, οδηγώντας σε αλλαγή της κατάστασης, με τα άλγη να διατηρούν χαμηλή βιομάζα. Στην προσπάθεια να εκτιμηθούν οι τιμές των δύο σημείων αλλαγής σε συγκεκριμένους τύπους λιμνών, οι παράγοντες από τους οποίους εξαρτώνται και η αβεβαιότητα των τιμών αυτών, είναι σημαντικό να λαμβάνονται υπόψη τα εξής: ποιοι είναι οι ρυθμιστικοί μηχανισμοί της κάθε κατάστασης πως επηρεάζονται αυτοί οι μηχανισμοί από την φόρτιση με θρεπτικά 178

185 πώς αυτοί οι μηχανισμοί επηρεάζονται από τα χαρακτηριστικά της λίμνης και τις παραμέτρους του μοντέλου. Οι μηχανισμοί που εμπεριέχονται στο PCLake, μπορούν χονδρικά να ομαδοποιηθούν σύμφωνα με τρεις θεματικές: τα θρεπτικά (N), το φως (L) και την τροφική αλυσίδα (F). Οι μηχανισμοί που ρυθμίζουν την διαυγή κατάσταση και άρα οδηγούν στην θετική μετατόπιση του σημείου αλλαγής προς τη θολερή είναι: a) (N) τα μακρόφυτα ανταγωνίζονται τα άλγη στην πρόσληψη αζώτου και φωσφόρου b) (N) τα μακρόφυτα προωθούν τη μείωση του αζώτου, μέσω της απονιτροποίησης (αυξάνοντας το οξυγόνο στα ιζήματα) c) (L+N) τα μακρόφυτα μειώνουν την επαναιώρηση των ιζημάτων (σωματίδια και θρεπτικά), σταθεροποιώντας τα, κι έτσι διατηρούν την διαφάνεια σε αρκετά υψηλά επίπεδα, ώστε να ευνοηθεί η ανάπτυξή τους d) (L+N) τα μακρόφυτα εμποδίζουν την επιβίωση των βενθοβόρων ψαριών, μειώνοντας έτσι την αναμόχλευση που προκαλούν αυτά e) (F) τα μακρόφυτα προάγουν τον περιορισμό της καθύψος ανάπτυξης των άλγεων, προάγοντας την ανάπτυξη των ιχθυοφάγων ψαριών (με παροχή καταφυγίου) και προστατεύοντας το ζωοπλαγκτόν από τα πλαγκτοβόρα ψάρια f) (λοιπά που δεν περιλαμβάνονται στο μοντέλο) η απελευθέρωση αλληλοπαθητικών ουσιών από τα μακρόφυτα που είναι επιβλαβείς για τις άλγεις 179

186 Αν ένας ή περισσότεροι από αυτούς τους μηχανισμούς υποχωρήσει, η βλάστηση μπορεί να καταρρεύσει, πιθανώς κυρίως υποκινούμενη από μείωση του φωτός κάτω από την επιφάνεια του νερού. Το μοντέλο υποθέτει ότι οι περίοδοι με περισσότερη ευαισθησία είναι η Άνοιξη, πριν την επανανάπτυξη των μακρόφυτων μετά το Χειμώνα, και το Φθινόπωρο, όταν αρχίζει να υποχωρεί η ανάπτυξή τους κι απονεκρώνονται. Αν το φυτοπλαγκτόν αναπτυχθεί, έστω και λίγο, σε μία από αυτές τις περιόδους, τότε αυξάνεται η πιθανότητα να επικρατήσει στα επόμενα έτη. Η ρυθμιστική ικανότητα των μηχανισμών α) και β), που αφορά σε διαθεσιμότητα θρεπτικών, μειώνεται όσο αυξάνεται η φόρτιση σε θρεπτικά. Το ίδο συμβαίνει στους μηχανισμούς γ) και δ), όταν αρχίζει η αντίστροφη μέτρηση της σταδιακής αύξησης των συγκεντρώσεων των N και P στα ιζήματα. Το μοντέλο προτείνει ότι καθώς τα μακρόφυτα επικρατούν, η ανάπτυξη των άλγεων περιορίζεται από το άζωτο παρά από τον φώσφορο. Αυτό επιβεβαιώνεται από πειραματικές μετρήσεις, σε διάφορες περιπτώσεις (e.g. Van Donk & Gulati, 1995). Έτσι, υψηλή φόρτιση με άζωτο είναι δυνητικά πιο επιβλαβής από τη φόρτιση με φώσφορο σε αυτή τη φάση. Επίσης, η ρύθμιση που επιτελείται από τον μηχανισμό ε) απειλείται εμμέσως από την αύξηση της φόρτισης με θρεπτικά, καθώς η βιομάζα των ψαριών γενικά αυξάνεται, λόγω της διαθεσιμότητας σε τροφή (Hanson & Leggett, 1982). Οι τροφικές σχέσεις αναδεικνύονται ως πολύ σημαντικός παράγοντας: η αύξηση της κατανάλωσης του ζωοπλαγκτού από τα μικρά ψάρια μειώνει εμμέσως την πίεση βόσκησης στις άλγεις. Η σημαντικότητα αυτού του μηχανισμού εξαρτάται από την ποιότητα της λίμνης, και το κατά πόσο μπορεί αυτή να προσφέρει καταφύγιο στα ιχθυοφάγα ψάρια. Αν η λίμνη είναι όντως φιλόξενη στα ιχθυοφάγα ψάρια, τότε αυτά με τη σειρά τους μπορούν να ελέγξουν την 180

187 ανάπτυξη των λευκοκορέγονων κατά τι περισσότερο. Έτσι, το σημείο αλλαγής μετατοπίζεται προς τα δεξιά. Όσο η λίμνη διατηρείται διαυγής, η αυξανόμενη βιομάζα των βενθοβόρων ψαριών δεν είναι από μόνη της τόσο επιβλαβής, σύμφωνα με το μοντέλο, καθώς η αναμόχλευση που προκαλούν αυτά παρεμποδίζεται από την βλάστηση. Οι μηχανισμοί που ρυθμίζουν τη θολερή κατάσταση, και άρα τείνουν να εμποδίζουν την αποκατάσταση, όπως περιλαμβάνονται στο μοντέλο, είναι: a) (Ν) το φυτοπλαγκτόν γίνεται πιο ολιγαρκές σε φώσφορο (υψηλότερη βιομάζα / φώσφορο) σε σχετικά χαμηλές συγκεντρώσεις του b) (F + απώλεια) η επικράτηση των κυανοβακτηρίων σε σχετικά χαμηλές συγκεντρώσεις P, που δεν είναι βρώσιμα από το ζωοπλαγκτόν και έχουν μικρότερο ρυθμό καθίζησης c) (L) η υψηλή θολερότητα (λόγω άλγεων και νεκρής αιωρούμενης σωματιδιακής ύλης) αναστέλλει την ανάπτυξη των μακρόφυτων και άρα αυξάνει την ανταγωνιστική ισχύ των άλγεων d) (L + N) η επαναιώρηση των καθιζάνοντων σωματιδίων και θρεπτικών κρατά τη θολερότητα και την απελευθέρωση θρεπτικών υψηλή e) (L + N) η επαναιώρηση που προκαλείται από την αναμόχλευση από βενθοβόρα ψάρια και επίσης κρατά τη θολερότητα και την απελευθέρωση θρεπτικών υψηλή f) (F) η σχετικά χαμηλή πίεση βόσκησης στο φυτοπλαγκτόν, εξαιτίας των ιχθυοφάγων ψαριών χαμηλά και των πλαγκτοβόρων ψαριών ψηλά 181

188 g) (Ν) (μοντελοποιήθηκε εν μέρει) η ανάπτυξη των άλγεων προάγει την εσωτερική αύξηση της ποσόστωσης του φωσφόρου, λόγω του υψηλού ph και των συνθηκών χαμηλού οξυγόνου στα ιζήματα (e.g. Hosper, 1997). Η διεργασία η), ωστόσο, δεν εντοπίζεται μόνο στα άλγη αλλά και σε περιπτώσεις υψηλών πυκνοτήτων μακρόφυτων (Barko & James, 1998; Søndergaard & Moss, 1998). Στο μοντέλο αυτή η συσχέτιση εισάγεται μόνο μέσω του οξυγόνου, ενώ το ph δε λαμβάνεται υπόψη. Καθώς η φόρτιση με θρεπτικά μειώνεται, η αυτορρύθμιση που ενεργοποιείται από τους μηχανισμούς α) και πιθανώς η) εξασθενεί. Οι ρυθμοί ανάπτυξης μειώνονται, ενώ οι αναπόφευκτες διαδικασίες απώλειας δεν αναστρέφονται. Η βιομάζα των άλγεων μειώνεται και η διαφάνεια του νερού αυξάνεται σταδιακά, μέχρι ενός επιπέδου που τα μακρόφυτα δύνανται να επικρατήσουν. Το μοντέλο προτείνει ότι η πιο ευαίσθητη περίοδος του χρόνου είναι αργά την Άνοιξη (Μάιος). Εάν το νερό διατηρηθεί καθαρό αρκετά, ώστε να επιτραπεί στα μακρόφυτα ένα καλό έναυσμα ανάπτυξης, τα τελευταία έχουν την ευκαιρία περεταίρω ανάπτυξης στα επόμενα έτη. Σύγκριση με εμπειρικά στοιχεία: η επίδραση των χαρακτηριστικών των λιμνών: α) Το μέγεθος της λίμνης Το μοντέλο προβλέπει ότι μικρότερες λίμνες είναι πιο ευνοϊκές στα μακρόφυτα από ότι μεγαλύτερες, σε συμφωνία με τις παρατηρήσεις πεδίου (e.g. Van Geest και άλλοι, 2003). Ο μηχανισμός που εξηγεί αυτή τη συσχέτιση είναι οι υψηλότεροι ρυθμοί καθίζησης και χαμηλότεροι επαναιώρησης σε μικρές λίμνες (μικρότερη επίδραση κυμάτων). Αν και η 182

189 πρόβλεψη είναι σε συμφωνία με τις παρατηρήσεις, υπάρχουν και άλλοι μηχανισμοί που λειτουργούν αντίθετα. Ο άνεμος και κατ' επέκταση οι κυματισμοί μπορούν να παρεμποδίσουν άμεσα την ανάπτυξη της βλάστησης ή την επιβίωσή της. Άλλοι μηχανισμοί συσχετίζονται με το μήκος του αναπτύγματος της παράκτιας γραμμής των μικρών λιμνών. Οι μικρές λίμνες τείνουν να είναι πιο ρηχές κοντά στην ακτή τους, πράγμα το οποίο δημιουργεί ευνοϊκές συνθήκες για την εγκατάσταση των μακρόφυτων. Έτσι μπορούν να εξαπλωθούν σε όλη την λίμνη (Van den Berg, 1999). Μία μεγαλύτερη ακτογραμμή, η οποία συχνά καλύπτεται από ελόφυτα, επίσης ευνοεί τα ιχθυοφάγα ψάρια και παρέχει καταφύγιο στο ζωοπλαγκτόν (Jeppesen et al., 1990a; Grimm, 1989). Τέλος, έχει παρατηρηθεί, ότι οι φυσικοί θάνατοι των ψαριών το Χειμώνα, λόγω της ανεπάρκειας οξυγόνου, συμβαίνουν πιο συχνά σε μικρές λίμνες (Jeppesen et al., 1990a), αν και αυτό το συμπέρασμα δεν μπορεί να διεξαχθεί από τα αποτελέσματα του μοντέλου. Επίσης, ο Van Geest el al. (2003) αναφέρει πιο συχνούς θανάτους ψαριών σε μικρές λίμνες, αν και θεωρεί έμμεση τη συσχέτιση αυτή και άμεση τη συσχέτιση του θανάτου των ψαριών με τη θερινή περίοδο, όταν η στάθμη του νερού είναι χαμηλή. Παρόλα αυτά, οι θάνατοι των ψαριών λειτουργούν ως ένα φυσικό πείραμα βιοδιαχείρισης, το οποίο μπορεί να αξιοποιηθεί ως προς την επικράτηση της βλάστησης σε συγκεκριμένες λίμνες. Ο Van Geest et al (2003), μετά από διασταύρωση των αναλύσεών του με τις μελέτες των ρηχών πλημμυρικών λιμνών στην Ολλανδία, επιβεβαιώνει την σημαντικότητα των παραπάνω παρατηρήσεων, ως επικρατέστερες εξηγήσεις της αρνητικής επίδρασης του μεγέθους της λίμνης στην επικράτηση των μακρόφυτων. 183

190 β) To βάθος λίμνης Η μεγάλη επίδραση του βάθους νερού στην ανάπτυξη των μακρόφυτων (η χαμηλή πιθανότητα επιβίωσης των μακρόφυτων σε μεγάλα βάθη) επιβεβαιώνεται μέσω εμπειρικών παρατηρήσεων και μελετών. Το μέγιστο βάθος επιβίωσης των μακρόφυτων είναι συνάρτηση της διαφάνειας του νερού. Oι παραπάνω μελέτες δεν επεκτείνονται σε ρηχές και θολερές λίμνες. Το PCLake προβλέπει μία απότομη αύξηση των κρίσιμων φορτίων για βάθος νερού ενός μέτρου ή λιγότερο, υπονοώντας ότι οι πολύ ρηχές λίμνες παρουσιάζουν μεγάλη πιθανότητα διατήρησης της διαυγούς κατάστασης, παρά την κάποια θολερότητα και αυξημένο επίπεδο θρεπτικών. Το μοντέλο φαίνεται αρκετά αισιόδοξο ως προς την επικράτηση των μακρόφυτων, σε αντίθεση με τις μελέτες πεδίου στις ολλανδικές λίμνες Randmeren (Meijer et al., 1999b). Μία πιθανή αιτία είναι ότι το μοντέλο προσομοιώνει τα μακρόφυτα ως ένα είδος, το οποίο κατανέμεται ισομερώς στην υδάτινη στήλη. Είδη με διαφορετική ανάπτυξη, όπως τα χαρόφυτα, τα οποίο αναπτύσσονται πιο κοντά στον πυθμένα, είναι πιο τρωτά. Ο Blindow (1992) παρατήρησε ότι σε αντίθεση με τα χαρόφυτα που μπορούν να αναπτυχθούν σε μεγαλύτερα βάθη και καθαρά νερά (λόγω της ικανότητάς τους επιβίωσης σε συνθήκες χαμηλού φωτός), τα αγγειόσπερμα ευνοούνται σε πιο θολερά νερά, καθώς το μεγαλύτερο μέρος της βιομάζας τους βρίσκεται κοντά στην επιφάνεια. γ) Οι ελώδεις περιοχές Υπάρχουν καθαρές ενδείξεις ότι οι ελώδεις περιοχές αποτελούν παράγοντα καθαρισμού των λιμνών (Johnston (1991), Mitsch (1995), Verhoeven & Meuleman (1999), μεταξύ άλλων). Ο Richardson et al. (1997) συμπεραίνει ότι οι φυσικοί υγροβιότοποι 184

191 μπορούν να απορροφούν φορτίο φωσφόρου έως και 1-2 gp m-2 y-1. Οι τεχνητοί υγροβιότοποι μπορούν να αποδώσουν ακόμη περισσότερο, ανάλογα με τη δομή τους και τη διαχείρισή τους. Το παράδειγμα του συστήματος υγροβιότοπων Kis-Balaton (Somlyódy, 1998), που χρησιμοποιήθηκε για την προστασία της λίμνης Balaton (Ουγγαρία) καθαρίζοντας το νερό του ποταμού πριν εισέλθει στη λίμνη, ανέδειξε την ιδιότητα αυτή των ελών. Τα αποτελέσματα του μοντέλου συνάδουν με τις γενικότερες παρατηρήσεις ότι οι υγροβιότοποι πρέπει να καλύπτουν μία αρκετά μεγάλη επιφάνεια, έτσι ώστε να έχουν μία σημαντική επίδραση στην ποιότητα του νερού. Τα ποσοτικά δεδομένα σχετικά με τα φυσικά συστήματα είναι σπάνια, αλλά η απώλεια των ελωδών πλημμυρικών περιοχών γύρω από τις λίμνες της περιοχής Friesland στην βόρεια Ολλανδία θεωρείται υπεύθυνη για την αλλαγή των λιμνών σε ευτροφικές. Αυτοί οι υγροβιότοποι προέκυψαν λόγω της φυσικής διακύμανσης της στάθμης του νερού (Waterschap Friesland, 1993; Klinge et al, 1995). Σύγκριση με άλλα μοντέλα: Έχουν αναπτυχθεί πολλά μοντέλα που καλύπτουν διάφορες πτυχές του ευτροφισμού σε λιμναία οικοσυστήματα. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η σύγκριση της προσέγγισης και των υποθέσεων αυτών των μοντέλων καθώς και ποιά ερωτήματα δύνανται να απαντήσουν. Τα μοντέλα διαχωρίζονται σε στατικά, τα οποία βασίζονται σε εμπειρικές σχέσεις και σε δυναμικά μοντέλα, που βασίζονται σε οικολογικές διεργασίες και μπορούν με τη σειρά τους να διαχωριστούν σε υποκατηγορίες. Αυτή η διάκριση δεν είναι απόλυτη, καθώς τα δυναμικά μοντέλα συχνά επίσης βασίζονται και σε εμπειρικές σχέσεις. 185

192 Αρχικά κατασκευάζονται μοντέλα που συσχετίζουν την εξωτερική φόρτιση με τις συγκεντρώσεις ολικού φωσφόρου και αζώτου, τα επίπεδα της χλωροφύλλης-α και τη διαφάνεια μεταξύ άλλων, που βασίζονται σε σειρές δεδομένων πολλών λιμνών. Κριτική αυτών των τύπων μοντέλων κάνουν οι Reckhow & Chapra (1983) and Hosper (1997). Τα πιο απλά μοντέλα αυτής της κατηγορίας συσχετίζουν το μέγιστο επίπεδο χλωροφύλλης με τις συγκεντρώσεις του ολικού φωσφόρου (TP) και ολικού αζώτου (TN) (Lijklema et al., 1998; Hosper, 1997; Portielje & Van der Molen, 1997). Αυτά τα μοντέλα παραμένουν πολύ χρήσιμα σε μια πρώτη εκτίμηση της τροφικής κατάστασης και της βιομάζας των άλγεων στη λίμνη, αλλά δεν είναι κατάλληλα για πρόβλεψη, όταν παίζει σημαντικό ρόλο η ύπαρξη μακρόφυτων. Το PCLake, συγκρινόμενο με τέτοιου είδους εμπειρικά μοντέλα, έχει ρεαλιστικά αποτελέσματα όσον αφορά στον ολικό φώσφορο και στη χλωροφύλλη-α. Τα δυναμικά μοντέλα που έχουν αναπτυχθεί ποικίλλουν ως προς την πολυπλοκότητά τους. Συγκεκριμένα, εμπεριέχουν διαφορετικό αριθμό μεταβλητών και λειτουργικών ομάδων, μπορεί να έχουν σταθερή ή μεταβλητή, χωρικά και χρονικά, στοιχειομετρία, διαφορετική προσέγγιση των ιζημάτων και τέλος διαφορετική χωρική διακριτοποίηση, αν υπάρχει. Δημοφιλή δυναμικά μοντέλα είναι το DBS (Delwaq-BLOOM- Switch) και το PROTECH (Reynolds et al., 2001). Τα μοντέλα που προσομοιώνουν τα μακρόφυτα είναι σπάνια, σε σχέση με αυτά που προσομοιώνουν τα άλγη. Ακόμα λιγότερα προσομοιώνουν και τα δύο συγχρόνως, όπως το PCLake. Άλλα μοντέλα συμπεριλαμβάνουν μακρόφυτα και άλγη είναι τα μοντέλα των C.J. Walters and R.A. Park (Le Cren & Lowe-McConnell, 1980, ch. 5), των Voinov & Tonkikh (1987), των Muhammetoglu & Soyupak (2000) και το LakeWeb των Hakanson & Boulion (2002). 186

193 Μία ενδιαφέρουσα τάση είναι η κατασκευή των δυναμικών «minimodels». Είναι απλοποιητικά μοντέλα τα οποία χρησιμοποιούνται για να εξεταστούν μεμονωμένες πτυχές ενός λιμναίου οικοσυστήματος, να γίνουν γρήγορες εκτιμήσεις, συγκρίσεις και να αναδεικνύεται η σημαντικότητα κάποιων μεταβλητών. Μία άλλη προσέγγιση μοντελοποίησης είναι τα επονομαζόμενα «individual-based» μοντέλα, που χρησιμοποιούν ως μονάδα προσομοίωσης τον ίδιο εκάστοτε οργανισμό, δηλαδή είναι διακριτά ως προς του ζωντανούς οργανισμούς, όπως τα ψάρια, διάφορα είδη φυτών κ.α. Τέτοια μοντέλα είναι πολύπλοκα και απαιτούν αρκετό υπολογιστικό χρόνο, αλλά είναι πιο ακριβή ως προς την ποσοτική προσέγγιση των παραπάνω οργανισμών. Παράδειγμα τέτοιου μοντέλου είναι το Charisma (Van Nes et al., 2002). Τα αποτελέσματα του PCLake συνάδουν με τις προβλέψεις των «minimodels» και των «individual-based models», καθώς και με τα εμπειρικά δεδομένα που υπάρχουν. Η συνεισφορά του PCLake είναι τριπλή: εκτιμά τα επίπεδα κρίσιμης φόρτισης για ρηχές λίμνες και της βαρύτητας των διαφόρων παραγόντων σε αυτά. συνεκτιμά την επιρροή συνδυασμένων των παραγόντων στον ευτροφισμό και κατά συνέπεια στην αποκατάσταση συνεκτιμά την επιρροή των μηχανισμών και των οικολογικών διεργασιών 187

194 188

195 Κεφάλαιο 10 Μετατροπές Δεδομένων 10.1 Εισαγωγή Η βασική ιδέα πίσω από την ανάπτυξη ενός συστήματος μετατροπής δεδομένων είναι να καλύψει τις offline επικοινωνίες και ανταλλαγές δεδομένων των μοντέλων που δεν μπορούν να μεταβούν σε πρότυπο OpenMI και ως εκ τούτου δεν μπορούν να συμμετέχουν σε μία online ταυτόχρονη διαδικασία προσομοίωσης. Για το λόγο αυτό, η ανάγκη ενός μετατροπέα δεδομένων είναι προφανής για την επίτευξη ενός συστήματος off-line ανταλλαγής δεδομένων και οφείλεται στο γεγονός ότι κάθε μοντέλο "δεν καταλαβαίνει" και δεν είναι σύμφωνο με τις μορφές των δεδομένων των άλλων μοντέλων. Εκτός από τον παραπάνω λόγο, πολλές άλλες δευτερεύουσες εργασίες έχουν επιτευχθεί, όπως: Τεχνικές εργασίες: αποθήκευση δεδομένων, μετατροπή μορφοποίησης κ.λπ. Υποστήριξη απλής αφομοίωσης δεδομένων όπως προβολή, οπτική επικάλυψη, κ.λπ. Η ανάπτυξη ενός σχήματος μιας τυπικής γλώσσας σχήμα για την ανάπτυξη των μελλοντικών υπηρεσιών web, όπως είναι τα σχήματα XML. Διεργασίες Ανάλυσης: προ-επεξεργασία δεδομένων εισόδου, εκτέλεση των μοντέλων, αξιολόγηση των δεδομένων εξόδου του μοντέλου κ.λπ. Υποστήριξη για την αξιολόγηση: συμβουλές εμπειρογνωμόνων, στήριξη αποφάσεων, αξιολόγηση σχεδίων κ.λπ. 189

196 Για τη διαδικασία σχεδιασμού έχουν αναλυθεί πολλές λογισμικές απαιτήσεις και οι οποίες ήταν κάπως διαφορετικές και προήλθαν από το είδος του έργου, τους στόχους του, τις απαιτήσεις για τις δεξιότητες διεπαφής χρήστη του υπολογιστή από τους χρήστες του εργαλείου, τον χρόνος υπολογισμού, τη στήριξη της συνεργασίας κ.λπ. Τα σημαντικότερα ζητήματα εφαρμογής που λάβαμε υπόψη για την υλοποίηση του μετατροπέα δεδομένων ήταν τα εξής: Data management Η διαχείριση των δεδομένων ήταν το πιο κρίσιμο ζήτημα σχετικά με την Περιβαλλοντική Μοντελοποίηση και διαχείριση. Χρησιμοποιούνται εξαιρετικά μεγάλου όγκου δεδομένα, όπως είναι αυτά των γεω-χωρικών μοντελοποιήσεων. Τα γεω-χωρικά δεδομένα συνήθως αποθηκεύονται σε συγκεκριμένες μορφές αρχείων και σε dedicated servers δεδομένων. Υπάρχουν δύο μεγάλες κατηγορίες σχετικές με την περιγραφή και την αποθήκευση των γεω-χωρικών δεδομένων: vector και raster format. Δεδομένα της κατηγορίας raster τυπικά αποτελούνται από τιμές σε μορφή μιας μήτρας. Είναι αποθηκευμένα σε tiles ή σε μεγάλα αρχεία σε ένα σύστημα αρχείων. Τα δεδομένα τύπου vector αποθηκεύονται ως αρχεία μόνο σε συστήματα αρχείων ή ως πίνακες σε βάσεις δεδομένων. Τα μεταδεδομένα, τα οποία είναι συχνά απαραίτητα για τη χρήση αυτών των αρχείων, για χρήση από τους servers είτε από τα τοπικά δίκτυα ή από το διαδίκτυο, χρησιμοποιούν το πρωτόκολλο http. Αυτό που πρέπει να αναφερθεί εδώ είναι ότι τα πρωτόκολλα, τα οποία χρησιμοποιούνται για τις εργασίες αυτές, έχουν τυποποιηθεί από το Open Geospatial Consortium (OGC) για να αποφευχθούν οι ασυμβατότητες μεταξύ των διαφόρων εφαρμογών τύπου GIS Επεξεργασία μορφοποίησης Ο μετατροπέας έχει σχεδιαστεί να υποστηρίζει τη λειτουργία του με τη χρήση opensource των βιβλιοθηκών GDAL και OGR. Με τη χρήση της GDAL είναι δυνατή η πρόσβαση, η ανάγνωση και η εγγραφή σε πάνω από 50 μορφές αρχείων τύπου raster. Η βιβλιοθήκη OGR από την άλλη πλευρά επιτρέπει στις εφαρμογές να διαβάζουν και να έχουν πρόσβαση σε 190

197 πάνω από 20 μορφές αρχείων και συστημάτων βάσεων δεδομένων τύπου vector. Η γλώσσα προγραμματισμού που χρησιμοποιείται για την κλήση του API της GDAL είναι η C#. Αυτό μας επιτρέπει να είμαστε σε θέση να κάνουμε port τον μετατροπέα σε διάφορα λειτουργικά συστήματα. Η βιβλιοθήκη OGR μπορεί επίσης να μεταγλωττιστεί προαιρετικώς έτσι ώστε να περιλαμβάνει και τη βιβλιοθήκη GEOS. Επειδή η βιβλιοθήκη GEOS δίνει στη βιβλιοθήκη OGR κάποιες τοπολογικές δυνατότητες, εφαρμόζεται επίσης μια παραθυρική διεπαφή για να απεικονίσει τις γεω-χωρικές ιδιαιτερότητες των διαφόρων στοιχείων των μοντέλων Οπτικοποίηση Ένα άλλο σημαντικό στοιχείο για την υλοποίηση χωρικών λειτουργιών είναι η οπτικοποίηση. Είναι ένας σημαντικό χαρακτηριστικό των συστημάτων λογισμικού γεωχωρικής ανάλυσης. Όλες οι σουίτες/εφαρμογές τύπου GIS είναι σε θέση να παρέχουν στο ελάχιστο δισδιάστατες ή ενδεχομένως τρισδιάστατες δυνατότητες απεικόνισης, μερικές δε με χαρακτηριστικά animation Χρήση Νηματοποίησης Έχουμε λάβει υπόψη την πολυπλοκότητα του κώδικα που χρησιμοποιούμε και την τεράστια ποσότητα δεδομένων με την οποία συχνά αυτό το λογισμικό θα πρέπει να ασχοληθεί. Αυτό σε συνδυασμό με την τεράστια υπολογιστική δύναμη που έχουν οι σύγχρονοι υπολογιστές (μεγάλος αριθμός πυρήνων) δημιουργεί την τάση συγγραφής λογισμικού που χρησιμοποιεί όλους τους πυρήνες ταυτόχρονα και εκτελεί διαφορετικές εργασίες ταυτόχρονα στους σύγχρονους επεξεργαστές. Αν και είναι μια πολύπλοκη διαδικασία, ήταν απαραίτητη για την υλοποίηση του γραφικού περιβάλλοντος εργασίας του χρήστη του μετατροπέα. Έτσι, υλοποιήσαμε το μετατροπέα ώστε κάθε υπο-διαδικασία να έχει το δικό της ειδικό νήμα το οποίο είναι υπεύθυνο για την αποστολή μηνυμάτων και οποιαδήποτε άλλη λειτουργία που καλείται για να αποφευχθούν προβλήματα όπως η καθυστέρηση. Αυτό φαίνεται καλύτερα στο σχήμα παρακάτω. 191

198 Σχήμα 6.1: Χρήση νηματοποίησης 10.2 Αρχιτεκτονική άποψη του συστήματος Σχηματικά όλες οι αρχιτεκτονικές εξαρτήσεις του μετατροπέα παρουσιάζονται στο παρακάτω γράφημα όπου η διαχωριστική γραμμή κατηγοριοποιεί στα αριστερά την εφαρμογή μας και στα δεξιά τη χρήση της βιβλιοθήκης dot.spatial της GDAL. Σχήμα 6.2: Αρχιτεκτονικό σχήμα του μετατροπέα δεδομένων Το βασικό παράθυρο της εφαρμογής φαίνεται στο σχήμα 6.3. Περιέχει ένα εργαλείο ελέγχου (Spatial tool strip control) το οποίο είναι υπεύθυνο για την προσθήκη διαφόρων τύπων δεδομένων που υποστηρίζονται μέσω της βιβλιοθήκης GDAL. Ο χρήστης μπορεί να επιλέξει να δημιουργήσει ένα νέο project, να ανοίξει ένα υπάρχον ή να προσθέσει στοιχεία 192

199 από όλες τις υποστηριζόμενες μορφές, όπως τα αρχεία τύπου shape-files, αρχεία tiff και ούτω καθεξής. Μεγέθυνση ή σμίκρυνση εργαλεία τύπου pan-control είναι ενσωματωμένα. Σχήμα 6.3: Βασικό παράθυρο φόρτωσης δεδομένων τύπου raster Μόλις προστίθενται τα στοιχεία (στην περίπτωσή μας τα αρχεία raster ή ASCII), η εικόνα φορτώνεται στον καμβά και δημιουργεί τον θεματικό χάρτη. Από εκεί, είναι δυνατόν η εξαγωγή δεδομένων σε διάφορες μορφές raster που υποστηρίζονται από το plugin GDAL. Εάν ο χρήστης δεν επιθυμεί να εξάγει ένα τέτοιο αρχείο, υπάρχει πάντα η επιλογή του να το αποθηκεύσει ως bitmap από το μενού των εργαλείων. Για τα shape files υπάρχει η δυνατότητα να δείτε τις ιδιότητες πινάκων, να επιλέξετε αναζήτηση στοιχείων με ερωτήματα, να τροποποιήσετε και να σώσετε τελικά διάφορα χαρακτηριστικά ως ένα διαφορετικό αρχείο shape. Περιττό να πούμε ότι υπάρχουν και διάφορες επιλογές, όπως η αλλαγή της αδιαφάνειας, τα σύμβολα και τα χρώματα που είναι διαθέσιμα. 193

200 Σχήμα 6.4: Στρωματικές ιδιότητες από τα panels Το σχήμα παραπάνω δείχνει τα περιεχόμενα του μενού legend και κάποια από τα εργαλεία τα οποία περιλαμβάνονται στο Toolbox pane. Το σχήμα 6.5 παρουσιάζει τις διάφορες κατηγορίες υποστηριζόμενων αρχείων που μπορούν να εισαχθούν στο εργαλείο παρουσίασης θεματικών χαρτών. 194

201 Σχήμα 6.5: Υποστηριζόμενα αρχεία θεματικών χαρτών Στις καρτέλες των ιδιοτήτων στρωμάτων, ο χρήστης μπορεί να αλληλεπιδράσει με την συμβολογραφία του αρχείου shape file ή του raster file που έχει προστεθεί. Mπορεί να καθορίσει την αδιαφάνεια, HSL ( Hue, Saturation, Lightness ) και τo χρώμα RGB (κόκκινο, πράσινο, μπλε). Ο χρήστης μπορεί επίσης να αλλάξει το χρώμα των τιμών κάνοντας κλικ στο κουμπί με τις μπάρες στην επάνω δεξιά γωνία ή τυχαία κάνοντας κλικ στο κουμπί χρωματισμού. Ο χρήστης μπορεί επίσης να επιλέξει από μια προκαθορισμένη σειρά χρωμάτων για να δείξει τις αλλαγές στις τιμές του raster αρχείου. Η διαγραφή ή η εισαγωγή ενός συνόλου τιμών είναι επίσης δυνατή. Στην καρτέλα Στατιστικά ο χρήστης μπορεί να αλλάξει τις προκαθορισμένες τιμές για snapping, να αποκλείσει τιμές ή να ορίσει ψηφία στρογγυλοποίησης και αριθμό των break points. Επιπλέον, ο χρήστης μπορεί να δεί γραφήματα των στατιστικών στοιχείων στην καρτέλα γράφημα. Στις περιπτώσεις που επιλέγει την Αναλυτική Καρτέλα Ιδιοτήτων, μπορεί να δει ακόμα περισσότερες επιλογές, όπως διαστάσεις, σύστημα συντεταγμένων, στατιστικά στοιχεία κ.λπ. όπως φαίνεται στα σχήματα 6.6 παρακάτω 195

202 Σχήμα 6.6: Ιδιότητες στρωμάτων από τα panels Επιπλέον, ο μετατροπέας έχει τη δυνατότητα να δεχθεί αρχεία ASCII σε διάφορους τύπους δεδομένων ράστερ, δηλαδή αρχεία τα οποία είναι αποτελέσματα μιας σύνθετης εφαρμογής GIS ή παραστάσεις αρχείων κειμένου για συστήματα GIS. Στην περίπτωση των αρχείων shape-files είναι δυνατόν να εξάγουμε όλα ή επιλεγμένα χαρακτηριστικά όπως φαίνεται στο σχήμα

203 Σχήμα 6.7: Εξαγωγή δεδομένων από αρχεία χαρτών 10.3 Επεξεργασία δορυφορικών δεδομένων Εκτός από το άνοιγμα αρχείων τύπου DEM (ASCII) και αρχείων τύπου shape-files, ο μετατροπέας είναι ικανός να ανοίγει αρχεία δορυφορικών καλύψεων και δεδομένων τύπου ENVI. Αυτό είναι σημαντικό για να ενσωματώσουμε ενδεχομένως αργότερα στο ολοκληρωμένο σύστημα πληροφοριών δεδομένα από δορυφόρους. Έχουμε καταφέρει να εισάγουμε αρχεία ENVI, αλλά και να τα εξάγουμε σε οποιαδήποτε άλλη μορφή που υποστηρίζεται από τη βιβλιοθήκη GDAL και γενικά σε όλες τις βασικές μορφές raster που είναι διαθέσιμες για αυτόν τον τύπο αρχείων. Το Σχήμα 6.8 απεικονίζει το άνοιγμα και την οπτικοποίηση ενός αρχείου ENVI-type. Ο μετατροπέας παρέχει τη λειτουργικότητα να ανοίξουμε το header file και τα data-files (.bil,.bsp,.bip), να οπτικοποιήσουμε τις τιμές των αρχείων αυτών και να σώσουμε τα αρχεία αυτά σε XML αρχεία. 197

204 Σχήμα 6.8: Άνοιγμα και οπτικοποίηση αρχείων δορυφορικών δεδομένων τύπου ENVI. Το βασικό χαρακτηριστικό αυτού του υποσυστήματος είναι η χρήση των δυαδικών αναγνώσεων και εγγραφών που χρησιμοποιούνται για να τοποθετήσουν στον καμβά του συστήματος τις τιμές μια δορυφορικής κάλυψης. Για αυτή τη διαδικασία χρησιμοποιούνται Stream-Writers και Xml-Writers (Σχήμα 6.9). Σχήμα 6.9: Διαδικασία μετατροπής δεδομένων τύπου ENVI. 198

205 10.4 Εξαγωγή δεδομένων σε XML Ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό αυτής της εφαρμογής είναι η δυνατότητα να μετατρέψει όλα τα αρχεία (DEM, Excel κ.λπ.) σε XML (Extensible Markup Language). Ειδική μέριμνα έχει ληφθεί κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης, διότι τα αρχεία XML είναι τα βασικότερα αρχεία εφαρμογών διαδικτύου μιας και παρέχουν διαλειτουργικότητα μεταξύ των διαφορετικών τύπων Η/Υ, εύκολη αποθήκευση και τυποποίηση. Η απλότητα, γενίκευση και ευχρηστία εφαρμογών μέσω του Διαδικτύου επιτυγχάνεται μέσω της γλώσσας XML. Είναι ένα πρότυπο που υποστηρίζει δεδομένων με κάποια αρχεία κειμένου που συνοδεύονται με tags-οργάνωσης του αρχείου. Η δομή ενός τέτοιου αρχείου φαίνεται παρακάτω (σχήμα 6.10) για την εφαρμογή μας 10.5 Εξαγωγή δεδομένων σε Excel Σχήμα 6.10: Παράδειγμα μετατροπής δεδομένων σε XML. Στην εφαρμογή μας έχουμε ενσωματωμένη τη δυνατότητα να εξάγει ο χρήστης τα μοντέλα μας σε μορφή excel επίσης. Τα αρχεία Excel μπορούν να δημιουργηθούν από XML ή ASCII αρχεία. Σε γενικές γραμμές κάθε μοντέλο που έχει τοποθετηθεί στον καμβά του μετατροπέα μπορεί να εξαχθεί σε μορφή excel. Σε πολλές περιπτώσεις στιγμιοτύπων 199

206 μοντέλων, μια μεγάλη ποσότητα δεδομένων αποθηκεύονται ως μήτρες. Οι πίνακες είναι πιο εύκολο να οπτικοποιηθούν και τα δεδομένα τους να συνοψίζονται και να συγκρίνονται σε φύλλα εργασία τύπου EXCEL (σχήμα 6.11). Σχήμα 6.11: Παράδειγμα μετατροπής δεδομένων σε EXCEL. 200