ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΣΤΕΡΕΟΠΑΡΟΧΗΣ ΣΕ ΕΚΒΟΛΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΟΤΑΜΟΥ.

Transcript

1 8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 857 ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΣΤΕΡΕΟΠΑΡΟΧΗΣ ΣΕ ΕΚΒΟΛΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΟΤΑΜΟΥ. Γεώργιος Αμαξίδης και Νικόλαος Σκουλικίδης ΕΛ.ΚΕ.Θ.Ε., Ινστιτούτο Εσωτερικών Υδάτων, Ανάβυσσος, 1913, Αθήνα ΠΕΡΙΛΗΨΗ Αναλύθηκαν τα δεδομένα ενός χρόνου στο εκβολικό σύστημα του ποταμού Κράθι στην Β. Πελοπόννησο. Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις παροχής και δειγματοληψίες αιωρούμενων σε δύο χρονικές κλίμακες: α) σε μηνιαία βάση με συμβατικά μέσα και β) κατά τη διάρκεια πλημμυρικών φαινομένων με αυτόματο σύστημα συλλογής δειγμάτων. Επίσης πραγματοποιήθηκαν τοπογραφικές μελέτες στην κοίτη του ποταμού. Η συσχέτιση μεταξύ των αιωρούμενων υλικών και της παροχής υπολογίσθηκε και για τις δύο χρονικές κλίμακες και ήταν πολύ καλή. Αναλύθηκαν οι χρονοσειρές παροχής αιωρούμενων και παροχής ταχύτητας ροής και έδωσαν τις πρώτες ενδείξεις απόθεσης υλικών στην κοίτη. Τα αποτελέσματα αυτά επιβεβαιώθηκαν από τις τοπογραφικές εργασίες που έλαβαν χώρα στην κοίτη του ποταμού. Βρέθηκε πως μέσα σε ένα χρόνο έλαβε χώρα ιζηματοαπόθεση μέσου βάθους περίπου 7,7 cm. Υπολογίσθηκε το φορτίο του αιωρούμενου υλικού (1 t/km 2 /y) όπως επίσης και του μεταφερόμενου σε σύρση υλικού (22,9 t/km 2 /y) και βρέθηκε η σχέση μεταξύ τους (4,4:1). Μελετήθηκε επεισόδιο βροχής, αναλύθηκαν τα διαγράμματα υστέρησης και βγήκαν συμπεράσματα για τους πιθανούς μηχανισμούς μεταφοράς και απόθεσης ιζημάτων. Συμπερασματικά, μπορεί να συναχθεί πως ένα μικρό ορεινό ποτάμι, όπως ο Κράθις, παρουσιάζει μεγάλη στερεοπαροχή, όση και στα μεγάλα ποτάμια, και κατά συνέπεια πως τα πολυάριθμα μικρά ποτάμια της χώρας συνεισφέρουν σημαντικά στην μεταφορά ιζημάτων στο θαλάσσιο περιβάλλον. Estimation of suspended sediment load at an estuary of a small Mediterranean river ABSTRACT Analysis of annual discharge and sediment data at the estuary of a small mountainous river in N. Peloponnesus has been performed. Discharge and suspended sediments were measured in two time scales: a) at a monthly base by conventional monitoring and b) at an episodic event basis using an auto-sampler. In addition, two topographical surveys have been carried at the reach. The suspended sediment discharge relationships, which have been performed in both time scales, showed significant correlations. Discharge, water flow and suspended matter time-series have been examined and the first indications of sedimentation at the river bed were concluded. This has been confirmed by the topographical surveys which resulted in an annual sedimentation rate of 7.7 cm. Suspended sediment load and bed material load have been calculated (1 and 22.9 t/km 2 /y respectively) as well as the ratio between them (4.4:1). Α precipitation event and the corresponding discharge-suspended matter hysteresis loop has been studied in order to assess sediment transport/deposition mechanisms. It can be concluded that a small mountainous river, like Krathis, carry out significant, comparable to large rivers, sediment loads to the sea. Λέξεις Κλειδιά: Αιωρούμενα ιζήματα, στερεοπαροχή, φορτίο κοίτης, φορτίο αιωρούμενων, ανάλυση επεισοδίου βροχής

2 858 8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας ΕΙΣΑΓΩΓΗ Εξαιτίας του έντονου ανάγλυφου, της μεγάλης έκτασης που καταλαμβάνουν ευδιάβρωτες αποθέσεις (φλύσχης, μόλασσα, πλεο-πλειστοκαινικά ιζήματα), των νεοτεκτονικών κινήσεων (Woodword, 1995), της μείωσης της δασοκάλυψης και άλλων περιβαλλοντικών πιέσεων τα ποτάμια της χώρας μεταφέρουν μεγάλες ποσότητες ιζημάτων (Poulos and Chronis, 1997), γεγονός που οδηγεί στην ερημοποίηση της χέρσου και στην ιζηματαπόθεση και υποβάθμιση της παράκτιας ζώνης. Ιδιαίτερα τα μικρά ορεινά ποτάμια, λόγω της χειμαρρώδους δίαιτάς τους, μεταφέρουν εξαιρετικά μεγάλα ποσά ιζημάτων (Milliman and Syvitski, 1992) στα μικρά χρονικά διαστήματα που επικρατεί χειμαρρώδης ροή. Στην Ελλάδα μετρήσεις στερεοπαροχής έχουν γίνει μόνο για τα μεγάλα ποτάμια που ενδιέφεραν την ΔΕΗ. Η παρούσα εργασία, που εφαρμόσθηκε σε ένα μικρό ορεινό ποτάμι, συνεισφέρει στην προβληματική για την εκτίμηση της στερεοπαροχής και των διεργασιών που τη ρυθμίζουν. ΠΕΡΙοΧΗ ΜΕΛΕΤΗΣ Ο Κράθις, ένα τυπικό ποτάμι της Β. Πελοποννήσου, (Χάρτης 1) ανήκει σε μια μικρή λεκάνη απορροής (149 Km 2, μήκος ποταμού 3Km) που είναι ορεινή, δασώδης και με απότομες κλίσεις (μέσο υψόμετρο: 192 m, μέση κλίση: 33%, δάσος: 75%). Οι πηγές του βρίσκονται στο όρος Χελμός και εκβάλλει στον Κορινθιακό κόλπο. Η γεωλογία της περιοχής αποτελείται από τεταρτογενείς και πλειο-πλειστοκαινικές αποθέσεις (αλλούβια, άμμοι, κροκαλοπαγή, μάργες), αλπικούς (κυρίως ασβεστόλιθοι και φλύσχης) και προ-αλπικούς σχηματισμούς (σχιστόλιθοι, φυλίτες, χαλαζίτες) (Dercourt, 1964; Rozos, 1989). Η μέση βροχόπτωση στην λεκάνη απορροής του Κράθι τα τελευταία 4 χρόνια είναι 775 mm, ενώ η εξατμισοδιαπνοή στο 2 ο υδατικό διαμέρισμα (που ανήκει ο Κράθις) είναι 43% (Υπουργείο Ανάπτυξης, 23). Η παροχή, στον μέσο ρού, είχε εκτιμηθεί σε 877 mm/y για τα έτη (Poulos and Chronis 1997). Η περιοχή μελέτης βρίσκεται στα κατάντη του ποταμού λίγο πριν την εκβολή του, παρουσιάζει χαμηλές κλίσεις και έχει έκταση γύρω στα 16 km 2 (περίπου 3μ. μήκος και 5μ. πλάτος κοίτης) (Εικόνα 1). Στην περιοχή μελέτης κατά την περίοδο των υψηλών παροχών η υγρή επιφάνεια του ποταμού εξαπλώνεται και διακλαδίζεται. Χάρτης 1. Λεκάνη απορροής ποταμού Κράθι

3 8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 859 Εικόνα 1. Περιοχή μελέτης (ανάντη εκβολικού συστήματος) κατά την περίοδο των υψηλών παροχών ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ Η μελέτη είχε διάρκεια δύο έτη (Απρίλιος 23 Απρίλιος 25). Ανάντη της περιοχής μελέτης εγκαταστάθηκε αυτόματος τηλεμετρικός σταθμός (Global Water) που μετρούσε τη στάθμη του ποταμού κάθε 1 λεπτά. Επίσης εγκαταστάθηκε αυτόματος δειγματοληπτικός σταθμός (ISCO), που ενεργοποιούνταν με την αύξηση της στάθμης, για να μελετηθεί η συμπεριφορά του ποταμού κατά τη διάρκεια επεισοδίων βροχής. Τέλος, μηνιαία δείγματα νερού συλλέχθηκαν σε όλο το διάστημα της μελέτης για τον προσδιορισμό του αιωρούμενου υλικού. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε αποτύπωση της κατάταξης των υλικών του υποστρώματος με τη μέθοδο River Habitat Survey (RHS) (Raven et al, 1998) σε 1 διατομές κατά μήκος του ποταμού (Εικόνα 2). Εικόνα 2. Περιοχή μελέτης και οι διατομές για την αποτύπωση του υποστρώματος με την μέθοδο RHS στο ανάγλυφο, στα οποία υπολογίστηκαν οι πραγματικές συντεταγμένες (και το πραγματικό υψόμετρο) σε σχέση με το σταθερό γεωγραφικό σημείο της Γ.Υ.Σ (Χάρτης 2). Χρησιμοποιήθηκαν δύο λογισμικά ανάλυσης των συντεταγμένων και των αντίστοιχων υψομέτρων τους (Autocad, Surfer) για να υπολογιστεί τελικά ο συνολικός όγκος των ιζημάτων που απετέθησαν στην εν λόγω περιοχή και αφού εκτιμήθηκε η μέση πυκνότητα των ιζημάτων, προσδιορίστηκε και το συνολικό τους βάρος. Χάρτης 2. Τοπογραφική αποτύπωση της περιοχής μελέτης ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ - ΣΥΖΗΤΗΣΗ Για την εκτίμηση του φορτίου αιωρούμενου υλικού βρέθηκε μια απλή συσχέτιση μεταξύ παροχής και αιωρούμενων σωματιδίων που εξηγεί περίπου το 78% της μεταβλητότητας (Διάγρ. 1). Συμπεραίνεται ότι για τον υπολογισμό των ποσών των αιωρούμενων οι υδραυλικές ιδιότητες της ροής παίζουν σημαντικό ρόλο. Για να εκτιμηθεί η ιζηματοαπόθεση, διενεργήθηκαν δύο τοπογραφικές αποτυπώσεις. Η μία το καλοκαίρι του 23 και η άλλη το καλοκαίρι του 24. Χρησιμοποιήθηκε ένα σταθερό γεωγραφικό σημείο που έχει τοποθετήσει πλησίον της περιοχής έρευνας η Γ.Υ.Σ. και προσδιορίστηκαν γύρω στα 2 σημεία διάσπαρτα μέσα στην κοίτη για να βρεθούν ακόμα και μικρές διαφορές

4 86 8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας Αιωρούμενα (mg/l) y = x x R 2 = Παροχή (m3/s) Διάγραμμα. 1. Σχέση μεταξύ αιωρούμενων και παροχής Χρησιμοποιώντας τον τύπο που συνδέει παροχή και αιωρούμενα και από τον ημερήσιο μέσο όρο των παροχών υπολογίζεται το φορτίο των αιωρούμενων του Κράθι σε 149 tn/y περίπου. Το ποσό αυτό ανοιγμένο στην έκταση της λεκάνης δίνει περίπου 1 t/km2/y που είναι ίδιας τάξης μεγέθους με τον Ελληνικό μέσο όρο (Poulos and Chronis 1997), ενώ ο αντίστοιχος για όλη την αλπική Μεσογειακή λεκάνη είναι της τάξης των 5-1 t/km2/y (Milliman and Syvitski, 1992). Από την συνδυαστική χρονοσειρά της παροχής και των αιωρούμενων φαίνεται πως σε γενικές γραμμές τα δύο αυτά μεγέθη συμβαδίζουν (Διάγρ. 2). Την άνοιξη του 24 φαίνεται πως τα αιωρούμενα εμφανίζονται μειωμένα, γεγονός που αποδίδεται στην ποσοτική έκπλυση υλικού από τη λεκάνη απορροής κατά τους προηγούμενους μήνες (Διάγρ. 2). Το Διάγραμμα 3 παρουσιάζει τη χρονική μεταβολή του λόγου ταχύτητας ροής / παροχής. Οι υψηλές τιμές του λόγου αποδίδονται στη συρρίκνωση της υγρής επιφάνειας κατά την περίοδο των χαμηλών παροχών, καθώς το ποτάμι παρουσιάζει προνομιακή ροή κατά μήκος του βαθύτερου κλάδου του, οπότε εμφανίζονται υψηλές ταχύτητες ροής. Αντίθετα, οι χαμηλές τιμές του λόγου κατά την περίοδο των υψηλών παροχών, αποδίδονται στη αύξηση της υγρής επιφάνειας, οπότε η υψηλή παροχή δεν μεταφράζεται σε αντίστοιχη υψηλή ταχύτητα ροής. Η αύξηση της υγρής επιφάνειας κατά τους χειμερινούς μήνες οφείλεται στο γεγονός ότι στην περιοχή μελέτης δεν λαμβάνει χώρα διάβρωση αλλά, προφανώς, απόθεση υλικού. Αιωρούμενα (mg/l) Απρ-3 Ιουν-3 Αυγ-3 Οκτ-3 Δεκ-3 Φεβ-4 Απρ-4 Ιουν-4 Αυγ-4 Οκτ-4 Δεκ-4 Φεβ-5 Απρ-5 Μήν ες Διάγραμμα 2. Χρονοσειρές παροχής και αιωρούμενων (με τα βέλη παρουσιάζονται οι τοπογραφικές μελέτες) Απρ-3 Μαϊ-3 Ιουν-3 Ιουλ-3 Αυγ-3 Σεπ-3 Οκτ-3 Νοε-3 Δεκ-3 Ιαν-4 Φεβ-4 Μαρ-4 Απρ-4 Μαϊ-4 Ιουν-4 Ιουλ-4 Αυγ-4 Σεπ-4 Οκτ-4 Νοε-4 Δεκ-4 Ιαν-5 Φεβ-5 Μαρ-5 Μήνες Διάγραμμα 3. Λόγος ταχύτητας/παροχής (Υ.Ε. = υγρή επιφάνεια) Κατά τις 2 τοπογραφικές μελέτες που διεξήχθησαν (Διαγρ. 2) υπολογίστηκαν λεπτομερώς οι τοπογραφικές διαφορές στην περιοχή μελέτης και μέσω του υπολογιστικού προγράμματος SURFER υπολογίστηκε η διαφορά του όγκου των ιζημάτων. Έτσι λοιπόν, για την περιοχή μελέτης που έχει έκταση γύρω στα 16 στρέμματα υπολογίστηκε ότι αποτέθηκε υλικό 1258 m3/y, οπότε ανοιγμένο στην έκταση δίνει ένα μέσο πάχος ιζηματοαπόθεσης γύρω στα 7,7 cm. Από δειγματοληψίες ιζημάτων στην κοίτη του ποταμού βρέθηκε πως η μέση πυκνότητα των αδρομερών υλικών είναι γύρω στα 2,71 gr/cm3. Οπότε, το μέσο φορτίο των αποτιθέμενων ιζημάτων υπολογίζεται γύρω στα 34 tn/y. Το ποσό αυτό ανοιγμένο στην έκταση της λεκάνης απορροής είναι 22.9 tn/km2/y, το οποίο συγκρινόμενο με το αντίστοιχο ποσόν των αιωρούμενων, εμφανίζει ένα λόγο SSL:BL 4,4:1 (SSL=suspended Παροχή (m3/s) Αιω ρούμε να Παροχή Ταχύτητα ροής/ Παροχή Poly. (Ταχύτητα ροής/ Παροχή)

5 8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 861 sediment load και BL=bed load) που είναι ίσος με τον λόγο των Maldonado (1975) και Guillen et al. (1992). Υποθέτοντας ότι το 15% του συνολικού φορτίου είναι σε διαλυτή μορφή (Poulos and Chronis, 1997), υπολογίζεται το υποθετικό συνολικό φορτίο του Κράθι σε 163,9 tn/km2/y (TL=SSL+BL+DL =SL+BL+,15TL, με γνωστά τα SSL και BL). Κατά συνέπεια, το ποσοστό του φορτίου κοίτης υπολογίζεται σε 14% ως προς το συνολικό φορτίο του ποταμού, που είναι σύμφωνο με το αντίστοιχο των Poulos and Chronis (1997) και συγκρίσιμο με αυτό άλλων ερευνητών (Blatt et al, 1972). Επίσης, από την αποτύπωση της σύστασης του υποστρώματος που έλαβε χώρα τις ίδιες χρονικές περιόδους, συνάχθηκε το συμπέρασμα ότι κατά το 24 τα λεπτόκοκκα υλικά που απαρτίζουν την περιοχή μελέτης αυξήθηκαν σε βάρος των αδρομερών (Διάγρ. 4). Αυτό αποδίδεται στο μικρότερο ύψος βροχής και παροχής του έτους αυτού που είχαν σαν συνέπεια την ασθενέστερη διάβρωση σε επίπεδο λεκάνης απορροής. % cm 6-2cm Διατομή 3 2-6cm Διάγραμμα 4. Κοκκομετρική ταξιθέτηση ιζημάτων κοίτης Για να ελεγχθεί η συμπεριφορά των αιωρούμενων και στη διάρκεια επεισοδιακών φαινομένων, αναλύθηκε επεισόδιο βροχής του έτους 23 (25 Οκτωβρίου). Το μέγιστο στην συγκέντρωση των αιωρούμενων εμφανίζεται μετά το αντίστοιχο της παροχής και με την ίδια καμπυλότητα. Στο διάγραμμα υστέρησης (Διάγρ. 5) φαίνεται μια 2mm-2cm Κοκκομετρία μm-2mm <6μm καμπύλη με αντίθετη φορά δεικτών ρολογιού, γεγονός που σε συνδυασμό με το προηγούμενο, κατατάσσει το επεισόδιο βροχής στην 3 η κλάση τύπων του Williams (Williams, 1989). Αιωρούμενα (mg/l) Επεισόδιο Βροχής Παροχή (m3/s) Διάγραμμα 5. Υστέρηση παροχής αιωρούμενων στο 1 ο επεισόδιο βροχής Η υστέρηση αυτή στο μέγιστο της συγκέντρωσης των αιωρούμενων μπορεί να οφείλεται στον μικρό υδροηλεκτρικό σταθμό που βρίσκεται περίπου στην μέση του μήκους του ποταμού και εμποδίζει επιλεκτικά το ίζημα, σε σχέση με την παροχή, να «προωθηθεί» στα κατάντη. Ένας άλλος πιθανός λόγος είναι η διαφορική χωρική βροχόπτωση μέσα στην λεκάνη απορροής. Ενδεχομένως, η βροχόπτωση να ξεκίνησε σε περιοχή της λεκάνης με σταθερό εδαφικό υπόβαθρο (π.χ. στον δασώδη άνω ρου), ενώ σε επόμενο στάδιο επεκτάθηκε σε περιοχές με υψηλής διαβρωσιμότητας υλικό (π.χ. στον μέσο και κάτω ρου). ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η εργασία αυτή δείχνει ότι με τη λειτουργία συστημάτων συνεχούς παρακολούθησής παροχής και στερεοπαροχής αιωρούμενων και την εφαρμογή τοπογραφικής αποτύπωσης είναι δυνατό να εκτιμηθεί η ποσότητα των μεταφερομένων ιζημάτων και να αποκαλυφθούν οι διεργασίες που την ελέγχουν.

6 862 8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Ευχαριστώ τον Δήμο Ακράτας που βοήθησε στην εγκατάσταση του αυτόματου σταθμού και παρείχε προσωπικό του για την ολοκλήρωση της τοπογραφικής μελέτης ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Blatt et al, Origin of sedimentary rocks. Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 634 p. Guillen J., Diaz J.I., Palanques A., Quantification and evolution of the Ebro River bedload sediment supplies during the XX th century. Rev. soc. Geol. Espana, 5: (in Spanish). Maldonado A., Sedimentation, stratigraphy and development of the Ebro Delta, Spain. p In: Deltas, Models for Exlporation., edited by Broussard M.L., Texas, Houston Geol. Soc. Milliman J., Syvitski J., Geomorphic/Tectonic Control of Sediment Discharge to the Ocean: The Importance of Small Mountainous Rivers, The journal of Geology, 1: Poulos, S., Chronis, G., The importance of the river systems in the evolution of the Greek coastline, Bulletin de l Institut oceanographique, CIESM Science Series no 3, 18: Raven, P.J., Boon, P.J., Dawson, F.H., and Ferguson, A.J.D., Towards an integrated approach to classifying and evaluating rivers in the UK. Aquat. Conserv., 8: Reid et al, Flash-flood and bedload dynamics of desert gravel-bed streams. Hydrological Processes, 12: Rozos, D., Engineering Geological conditions in Achaia province. Geomechanical characteristics of the Plio-Pleistocene sediments, Engineering Geology Investigations / Institute of Geology and Mineral Exploration, Athens. Williams G.P., Sediment concentration versus water discharge during single hydrologic events in rivers. Journal of Hydrology, 111: Woodward J., Sediment and water Quality in River Catchments. Edited by I.D.L. Foster, A.M. Gurnell and B.W. Webb. John Wiley & Sons Ltd. ΥΠΟΥΡΓΕΙΟ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ, 23. Σχέδιο προγράμματος διαχείρισης των υδατικών πόρων της χώρας. ΥΠΑΝ, Δ/νση Υδατικού Δυναμικού και Φυσικών Πόρων. 519 σελ., 4 Παραρτήματα.