Παράκτια Υδραυλική & Τεχνολογία

Transcript

1 Παράκτια Υδραυλική & Τεχνολογία Πλούμια Ποταμών Εφαρμογή στο π. Νέστο ρ. Γιώργος Συλαίος Ωκεανογράφος Επ. Καθηγητής ΤΜΠ- ΠΘ

2 Σημαντικότητα των Ποταμών Αρχαιότητα: Καθιστούσαν την γη εύφορη αύξηση των γεωργικών προϊόντων. Πηγή τροφής και ξυλείας από τα παραποτάμια δάση. Χρησιμοποιούνταν ως κύριες μεταφορικές αρτηρίες. Σήμερα: Χαμηλό κόστος μεταφοράς προϊόντων Αποταμίευση υδάτων με την κατασκευή φραγμάτων. Αποτροπή πλημμυρικών καταστάσεων στο κατάντι τμήμα. Αποθήκευση νερού για πόση και άρδευση. Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

3 Οικολογική Αξία Αποτελούν ενδιαιτήματα και καταφύγια πολλών ειδών, ενώ χρησιμοποιούνται ως φυσικοί διάδρομοι αποδόμησης των πτηνών. Ανακύκλωση θρεπτικών αλάτων Φυσικός καθαρισμός των υδάτων Εμπλουτισμός του υδροφόρου ορίζοντα Ρυθμίζουν την θερμοκρασία των υδάτων από τα ανάντι στα κατάντι. Συμβάλουνστονκύκλοτουνερού. Εμπλουτίζουν με θρεπτικά άλατα και ιζήματα την παράκτια ζώνη αύξηση της πρωτογενούς παραγωγής.

4 Οικολογική Αξία-Εκβολές υναμικό οικοσύστημα εξαιτίας του συνδυασμού της παλίρροιας με τις απορροές γλυκών υδάτων. Συντελούνται πλήθος βιολογικές χημικές γεωλογικές διεργασίες. Ρυθμίζουν τις συγκεντρώσεις των θρεπτικών αλάτων και την στοιχειομετρία τους. Ενδιάμεσο περιβάλλον για την σταδιακή μεταβολή των πληθυσμών που ζουν στα γλυκά νερά σε είδη που προσαρμόστηκαν στο θαλάσσιο περιβάλλον

5 Η Κατάσταση στη Μεσόγειο Ημίκλειστη θάλασσα με υψηλούς ρυθμούς εξάτμισης. Πληθυσμός 2: 43 εκατ. Εκτίμηση 225: 52 εκατ. Μεγάλη πληθυσμιακή πυκνότητα σε ορισμένες περιοχές (π.χ. έλτα Νείλου). Τεράστιες ποσότητες θρεπτικών χάνονται από την έξοδο των υδάτων στον Ατλαντικό. Η παραγωγικότητα περιορίζεται στις παράκτιες περιοχές. Περιορισμός των ποτάμιων απορροών εξαιτίας: Κατασκευή φραγμάτων Κλιματικών αλλαγών

6 Υποβάθμιση των Ποτάμιων Οικοσυστημάτων Κατασκευή Φραγμάτων: Μεταβολή του υδρολογικού καθεστώτος των ποταμών. Μεταβολή των φυσικοχημικών χαρακτηριστικών. Συσσώρευση των θρεπτικών αλάτων στους ταμιευτήρες. Ευτροφισμός: Εισαγωγή αζώτου και φωσφόρου από αστικά, βιομηχανικά λύματα και γεωργικές απορροές. Κατακράτηση πυριτίου από τα φράγματα. Μεταβολή της στοιχειομετρίας των θρεπτικών στοιχείων: Κατακράτηση των φερτών υλικών. Απομόνωση των πληθυσμών των ιχθύων ανάντι ή κατάντι. ιατάραξη της τροφικής αλυσίδας. Ανάπτυξη αλγών-υποβάθμιση της ποιότητας υδάτων.

7 Πλούμιο Σχηματίζεται από την συνεχή εκροή γλυκών υδάτων στη θάλασσα. Η κύρια παράμετρος της δημιουργίας τους είναι η διαφορά πυκνότητας. Ο τύπος του πλουμίου καθορίζεται από την παράμετρο άνωση εξαιτίας της διαφοράς πυκνότητας g : g g o o g > : υπόπυκνο g < : υπέρπυκνο g = : ομόπυκνο g= 9,81 m/s 2, ρ ο η πυκνότητα του θαλασσινού νερού, ρ η πυκνότητα του πλουμίου (kg/m 3 ).

8 Σημαντικότητα του Πλουμίου Αποτελούν την συνέχεια των ποτάμιων υδάτων στον ωκεανό. Μεταφέρουν το ίχνος και τα χαρακτηριστικά των ποτάμιων υδάτων σε μεγάλες αποστάσεις από το στόμιο. Επηρεάζουν την παράκτια κυκλοφορία. ίνουν ώθηση στην πρωτογενή παραγωγή εξαιτίας της μεταφοράς των θρεπτικών αλάτων ή απαγορεύουν την πρωτογενή παραγωγή εξαιτίας της υπερβολικής θολερότητας.

9 Παράγοντες που επηρεάζουν την εξάπλωση του πλουμίου Ποτάμια παροχή ύναμη Coriolis Ανεμογενής δραστηριότητα Παλιρροιακή δραστηριότητα άνεμος επιφανειακό ρεύμα Θαλάσσια ρεύματα καθαρή μεταφορά Τοπογραφία της ακτογραμμής Ανάγλυφο βυθού

10 Environmental Monitoring & Modeling Nestos River and Coastal Zone Management G. Sylaios 1, N. Kamidis 1,2, & V.A. Tsihrintzis 1 1 Laboratory of Ecological Engineering & Technology, Department of Environmental Engineering, Democritus University of Thrace, Xanthi. 2 Fisheries Research Institute, National Agricultural Research Foundation, Nea Peramos, Kavala.

11 NESTOS RIVER DRAINAGE BASIN Total length: 23 km Drainage basin area: 5.8 km km 2 (48%, Greece) 3. km 2 (52%, Bulgaria) Municipalities: communities (Greece) 93 communities (Bulgaria) Population: 179. habitants 42. (Greece) 137. (Bulgaria) 5 tributaries total area 1.35 km 2

12 HUMAN IMPACT ALONG NESTOS RIVER Dams 1. Sediment load impediment coastal zone erosion 2. River discharge regulation 3. Downstream water temperature decrease 4. River discontinuity implications in fish fauna 5. Rapid downstream flow changes depending on energy needs Agricultural Urban Activities 1. Nitrogen & Phosphorus loads 2. Application of pesticides and other toxic substances 3. Land Reclamations Land use changes 4. Habitats Degradation

13 HISTORIC RIVER DISCHARGE DATA (Temenos( Temenos) Ιαν- 66 Ιαν- 68 Ιαν- 7 Ιαν- 72 Ιαν- 74 Ιαν- 76 Ιαν- 78 Ιαν- 8 Ιαν- 82 Ιαν- 84 Ιαν- 86 Ιαν- 88 Ιαν- 9 Ιαν- 92 Ιαν- 94 Ιαν- 96 Ιαν- 98 Ιαν- Ιαν- 2 Ιαν- 4 Continuous reduction of mean river discharge Higher mean monthly flow : 199 m 3 /sec (March 1971) Lowest mean monthly flow:.83 m 3 /sec (September 1994)

14

15 GENETIC MODEL FOR THE OPTIMAL FORECASTING (GM-OF) Model steps: testing (accepting or rejecting) the null hypothesis that for -significant level, the hydrologic time-series has no structural change; defining the phase change points and dividing the timeseries into generations; decomposing each generation into its linear trend, its main harmonics and residuals; performing autoregressive fitting on the residuals and defining the membership of fitness for the gene models; defining the leading model, and applying the optimal forecasting algorithm on the last generation.

16 STEP 1: GENERATIONS DEFINITION

17 Table 2. Hydrologic characteristics of the five generations defined in the Nestos River discharge time-series. Generation Time Period Mean Annual Discharge (m 3 /s) 1 January 1966 May June 1971 April May 198 December January 1983 January February 1986 December 24 Total Annual Runoff ( 1 6 m 3 /yr) Mean Daily Runoff ( 1 3 m 3 /d) Annual Runoff Change from Generation ,132 3,12.36.% , % , % , % , %

18 STEP 2: TREND IDENTIFICATION FOR EACH GENERATION

19 STEP 3: HARMONIC COMPONENTS IDENTIFICATION FOR EACH GENERATION

20 Generation 1 j T(j) (months) A(j) B(j) j T(j) (months) A(j) B(j) Generation 2 Generation 5 j T(j) (months) A(j) B(j) j T(j) (months) A(j) B(j) j T(j) (months) A(j) B(j) j T(j) (months) A(j) B(j)

21 STEP 4: MODEL FITTING FOR EACH GENERATION

22 Table 7. Transformation of M ij to n i (j) values for each gene model applied on each generation and derivation of gene models frequency S(j). Generations AR(1) AR(2) MA(1) MA(2) ARMA(1,1) S(j) w(j) Thus, the optimal forecasting F t formula which will be used for Nestos River mean monthly discharge forecasting is: F.125 f.125 f.375 f.25 f.125 f (19) t 1, t 2, t 3, t 4, t 5, t where f 1,t, f 2,t, f 3,t, f 4,t and f 5,t represent forecasts produced using the models AR(1), AR(2), MA(1), MA(2) and ARMA(1,1), respectively.

23 STEP 4: MODEL PREDICTION

24 Table 8. Performance indices for the GM-OF forecasting assessment. MAPE (%) RMSE U-Statistic R R 2 Slope

25 MONITORING IN NESTOS DELTA

26 MATERIAL AND METHODS 17 River sampling at 4 stations during 26 River Stations 3 oceanographic samplings were contacted during March, May and August (flood, medium and low flow) in the coastal zone Sampling sites in the wider area of Water samples were collected from Nestos estuary a network of 3 stations (multiple depth samplings from 8 stations) Temperature and salinity were recorded using a SBE 19 The samples were analyzed for the plus CTD determination of ΝΟ3, ΝΟ2, PO4, NH4,, SiO2 και Chl-α. Nestos discharge were measured using a moored RCM-9 9 current meter

27 TELEMETRIC MONITORING STATION AT NESTOS DELTA Hourly monitoring of physical & chemical water parameters: -Temperature - Conductivity - ph - DO - REDOX - Turbidity - Chlorophyll-a - Water flow - Water stage

28 RIVER ENVIRONMENTAL MONITORING Monthly sampling of physical & chemical water & sediment parameters: Α. Water - Temperature - Conductivity - ph - DO, - SPM - Turbidity - Nutrients - Chlorophyll-a - Heavy Metals (Cu, Cr, Ni, Zn, Hg, Fe, As, Cd). B. Sediments - Grain size analysis - Heavy Metals (Cu, Cr, Ni, Zn, Hg, Fe, As, Cd)

29 INSTRUMENTATION FOR IN-SITU SAMPLING River discharge monitoring (water flow and stage) Physical & Chemical water sampling Water quality monitoring Sediment quality sampling

30 RIVER DISCHARGE Strong seasonal variability during 26 with Wet/Dry season ratio = 2.45 Maximum river discharge during January 26 (136 m 3 /s). The average discharge 9 days before the oceanographic samplings was measured to 85, 59 and 21 m 3 /s for March, May and August respectively Discharge comparison between 26 and average values of 3 previous decades Comparing to previous decades, year 26 can be characterized as a wet year.

31 RIVER NUTRIENTS AND CHL-a Relatively stable nitrate values decreasing form March to July (average: μmol/l). Concentration increase during August (37.8 μmol/l) Phosphate and ammonium concentration increase during May (4.4 and 5.8 μmol/l) and decrease during August (1.9 and.6 μmol/l respectively). Stability of silicate concentrations throughout the year (mean: 184 μmol/l, stdev:27 μmol/l. Chlorophyll-a a peak during April, October and December. NO3 (μmol/l) Si (μmol/l) N-NO3 N-NH4 P-PO4 March May August J Days J Days Si March May August chl-a PO4 and NH4 (μmol/l) chl-a (μg/l)

32 NUTRIENT FLUXES Taking into account the river nutrient concentrations and average river flows, nutrient fluxes were calculated to: N Load (tn/mo) P Load (tn/mo) March May August March May August Si Load (tn/mo) March May August

33 NESTOS NUTRIENTS LOADINGS COMPARED TO OTHER GREEK RIVERS DIN Loads (tn/year) Αξιός Στρυμόνας Έβρος Νέστος Αχελώος Πηνειός Αλιάκμονας Νέστος (Παρ. Εργ.) DIP Loads (tn/year) Αξιός Στρυμόνας Έβρος Πηνειός Αλιάκμονας Νέστος Αχελώος Νέστος (Παρ. Εργ.)

34 HEAVY METALS Heavy metals concentrations (μg/g) in the SPM and the sediments of Nestos River. Standard deviation in brackets Irrigation Canal Drainage Canal Τ4 Nestos River SPM Cu (μg/g) 3,47 (1,3) 51,63 (21) 48,9 (11,8) Ni (μg/g) 27,6 (12) 45,23 (16,7) 56,68 (19,3) Zn (μg/g) 5,15 (1,5) 45,5 (5,62) 14,46 (6,8) Sediment Cu (μg/g) 8,67 (6,7) 6,63 (7,4) 2,17 (1,7) Ni (μg/g) 15,47 (11,1) 8,13 (3,4) 9,43 (5) Zn (μg/g) 3,6 (22,9) 17,55 (11,7) 13,49 (6,2) Hg (μg/g),3 (,4),4 (,7),3 (,1)

35 WATER MASSES March 26 May 26 August 26

36 FRESH WATER VOLUME ESTIMATION The Fresh water volume were calculated from the equation: (Sylaios et al.,, 26) Where: So = Reference salinity, S = salinity in every Z Z (.5 m), Α = area of each cell, m = cell number, n = total depth of each cell Volume (x1 6 m 3 ) March May August % Percentage

37 RESULTS RIVER PLUME (HIGH RIVER FLOW) Wind Speed (m/s) March J. Days

38 RESULTS RIVER PLUME (MEDIUM RIVER FLOW) May 26 Wind Speed (m/s) J. Days

39 RESULTS RIVER PLUME (LOW RIVER FLOW) November 26 Wind Speed (m/s) J. Days

40 RESULTS RIVER PLUME (VERY LOW RIVER FLOW) January 27 Wind Speed (m/s) J. Days

41 VERTICAL DISTRIBUTION OF TEMPERATURE March 26 May 26 August 26

42 VERTICAL DISTRIBUTION OF TEMPERATURE March 26 May 26 August 26

43 VERTICAL DISTRIBUTION OF SILICATE March 26 May 26 August 26

44 ΑΠΟΤΕΛΕΜΣΑΤΑ Πλούμιο-Αλατότητα Φεβρουάριος 27 Απρίλιος 27 Μάιος 27 Αύγουστος 27 Σεπτέμβριος 27 Νοέμβριος 27

45 ΑΠΟΤΕΛΕΜΣΑΤΑ Πλούμιο-Πυριτικά Πυριτικά άλατα Μάρτιος 26 Μάιος 26 Αύγουστος 26 Οκτώβριος 26 Νοέμβριος 26 Ιανουάριος 26

46 NUTRIENTS ORIGIN DIN (μmol/l) R 2 =.9252 R 2 =.9642 March May Salinity (psu) 5 4 August R 2 =.8929 DIP (μmol/l) R 2 =.8651 March May August Salinity (psu) Si (μmol/l) R 2 =.9235 R 2 =.9655 March May August Salinity (psu)

47 NUTRIENTS IN THE PLUME DIN (tn) March May August DIP (tn) March May August Si (tn) March May August

48 CWR-ELCOM Εφαρμογή του ομοιώματος στην περιοχή περιοχή μελέτης Ο διαχωρισμός των κελιών που αντιπροσωπεύουν την ξηρά για όλους του κάνναβους ορίστηκε με τον κωδικό 999 Το βάθος του κάθε υδάτινου κελιού προσδιορίστηκε από τον χάρτη τηςυδρογραφικήςυπηρεσίας του Ναυτικού.

49 CWR-ELCOM Αρχικές συνθήκες Οι αρχικές συνθήκες της θερμοκρασίας και της αλατότητας έως και τα 4 m βάθος προσδιορίστηκαν από μία δειγματοληψία που διενεργήθηκε στις 25 Νοεμβρίου 25. Οι τιμές στα βαθύτερα στρώματα συμπληρώθηκαν από την διεθνή βιβλιογραφία. Θερμοκρασία ( ο C) Αλατότητα (psu) Βάθος (m) Βάθος (m)

50 CWR-ELCOM Οριακές συνθήκες Ορίστηκαν 3 ανοιχτά όρια: το νότιο το δυτικό και το ανατολικό όριο της περιοχής διακριτοποίησης. Στα όρια αυτά εφαρμόστηκαν οι συνθήκες παλιρροιακής μεταβολής και ελεύθερης διάβασης των υδάτων. Οι οριακές συνθήκες (αλατότητα-θερμοκρασία) για τα έτη 26 και 27 προέκυψαν από μηνιαίες δειγματοληψίες στο Θρακικό 26: Θερμοκρασία-Αλατότητα 27: Θερμοκρασία-Αλατότητα Πέλαγος. (α ) (β )

51 CWR-ELCOM Οριακές συνθήκες Εισαγωγή των απορροών των γλυκών υδάτων από την Τάφρο Τ4 (μηνιαίες μέσες τιμές). Παροχή (m 3 /s) Εισαγωγή των απορροών των γλυκών υδάτων από τον Νέστο όπως προέκυψαν από τις συστηματικές μετρήσεις της στάθμης του τηλεμετρικού σταθμού. Το παλιρροιακό εύρος εφαρμόστηκε στα όρια και υπολογίστηκε με βάση τις συνιστώσες Μ 2 και S 2, έχοντας εύρος,2 και,15 m Παροχή (m 3 /s) Ημέρες Παροχή Νέστου Ημέρες Παροχή Νέστου 27

52 Ταχύτητα ανέμου (m/s) Ατμ. θερμοκρασία ( ο C) Ηλιακή ακτινοβολία (W/m 2 ) (α) (γ) (ε) Ημέρες CWR-ELCOM Οριακές συνθήκες 26 ιεύθυνση ανέμου ( ο ) Σχετική υγρασία Βροχόπτωση (m/d) (β) (δ) (στ) Ημέρες

53 CWR-ELCOM Βαθμονόμηση του ομοιώματος Η βαθμονόμηση του ομοιώματος διενεργήθηκε και για τους 3 κάνναβους και για τις τιμές θερμοκρασίαςαλατότητας. Εξετάστηκαν πλήθος συνδυασμών του συντελεστή τραχύτητας του πυθμένα C D και του συντελεστή οριζόντιας διάχυσης των παθητικών ρύπων κ: Άλλες παράμετροι όπως η αντανάκλαση του μικρού και μεγάλου μήκους κύματος ηλιακής ακτινοβολίας Η βαθμονόμηση έγινε για τους μήνες Μάρτιος και Μάιος 26, όπου το πλούμιο βρέθηκε ισχυρότερο και το εύρος της αλατότητας μετρήθηκε στα υψηλότερα επίπεδα. c C D dc dt C U c U c Οι μετεωρολογικές παράμετροι εφαρμόστηκαν σε ολόκληρη τη περιοχή μελέτης σε ύψος 1 m από την ελεύθερη στάθμη της θάλασσας.

54 όπου xi είναι η μέτρηση στο πεδίο, yi το αποτέλεσμα του ομοιώματος, N το πλήθος των δεδομένων, x η μέσητιμήτωνμετρήσεωντουπεδίουκαιy η μέση τιμή των αποτελεσμάτων του ομοιώματος. x CWR-ELCOM Βαθμονόμηση του ομοιώματος Η απόδοση της κάθε προσομοίωσης που διενεργήθηκε για την βαθμονόμηση ελέγχθηκε με την χρήση 4 στατιστικών κριτηρίων. Συντελεστής προσδιορισμού R 2 : R 2 N N N N xiyi xi yi i 1 i 1 i 1 N N 2 N N N xi xi N yi yi i 1 i 1 i 1 i 1 Κλίση γ: 2 Ρίζα του μέσου τετραγωνικού λάθους RMSE: N 2 y x RMSE i i i 1 N N i 1 x x y y i N i 1 i ( x x) i 2 είκτης RMSE ιασποράς SI: SI 1 x

55 CWR-ELCOM Βαθμονόμηση του ομοιώματος Τρία πλέγματα: Μάρτιος 26-αλατότητα Κάνναβος C D κ (m 2 /s) R 2 γ RMSE SI(%) 1 1,3,2,888,849 1,52 3,67,4,884,87 1,77 3,141,5,2,883,872 1,13 3,216,4,885,84 1,72 3, ,3,2,555 1,184 2,685 9,312,4,549 1,214 2,688 9,372,5,2,55 1,22 2,541 9,212,4,552 1,197 2,766 9,519 Μεταβαλλόμενος,3,2,814,838 1,112 3,19,4,813,841 1,217 3,245,5,2,794,832 1,19 3,22,4,818,831 1,98 3,135

56 RIVER PLUME MODELING (March 26)

57 RIVER PLUME MODELING (May 26)

58 RIVER PLUME MODELING (August 26)

59 T4 (α ).5 m/s (α ) T4 N (β ) (β)

60 T4 (α ).5 m/s (α ) T4 N (β ) (β )

61 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ Απόδοση Ομοιώματος-Αλατότητα Μήνες n R 2 γ RMSE SI(%) 26 Μάρτιος 225,886,849 1,61 3, Μάιος 337,64,431 2,159 6,24 Αύγουστος 23,87,487 2,317 6,6 Οκτώβριος 23,841,922 1,217 3,45 Νοέμβριος 384,813,813,583 1,59 27 Ιανουάριος 391,614,388,518 1,4 Φεβρουάριος 449,446,418,319,86 Απρίλιος 42,64,649,424 1,15 Μάιος 355,678,734,831 2,31 Αύγουστος 296,833,645 1,498 4,19 Σεπτέμβριος 364,65,783 1,251 3,52 Νοέμβριος 251,69,686,364,98

62 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ Απόδοση Ομοιώματος-Αλατότητα Υπολογισμένη αλατότητα (psu) Υπολογισμένη αλατότητα (psu) (α) (γ) (β) (δ) Υπολογισμένη αλατότητα (psu) (ε) Μετρημένη αλατότητα (psu) (στ) Μετρημένη αλατότητα (psu)

63 CONCLUSIONS River damming has significantly altered the hydrological status of Nestos River, smoothing the wet to dry periods differences. In 27 the wet over dry ratio was 1.26, while in 26 this ratio was found 2.2. Based on the DEI dataset, the wet over dry ratio showed a mean value of 1.96 for the period. River plume expansion depends directly on river discharge, while its pattern along the coastal zone depends on the wind direction. Under high to medium discharge events, the plume retains a thin surface layer transporting nutrients at long distances and favoring conservative mixing. Under low discharge conditions, higher nutrient contents were detected near the mouth.

64 CONCLUSIONS In any case, the minimum ecological flow set at the level of 6 m 3 /sec for the downstream river part, is considered as considerably low to sustain the natural characteristics of Nestos riparian ecosystems.