ΧΡΗΣΗ ΕΝΟΣ ΤΡΙΣΔΙΑΣΤΑΤΟΥ ΥΔΡΟΔΥΝΑΜΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΓΙΑ ΤΗΝ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΤΩΝ ΑΝΟΞΙΚΩΝ ΣΥΝΘΗΚΩΝ ΣΕ ΒΑΘΙΕΣ ΛΕΚΑΝΕΣ. ΛΙΜΝΟΘΑΛΑΣΣΑ ΤΟΥ ΑΙΤΩΛΙΚΟΥ

Transcript

1 ΧΡΗΣΗ ΕΝΟΣ ΤΡΙΣΔΙΑΣΤΑΤΟΥ ΥΔΡΟΔΥΝΑΜΙΚΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΓΙΑ ΤΗΝ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΤΩΝ ΑΝΟΞΙΚΩΝ ΣΥΝΘΗΚΩΝ ΣΕ ΒΑΘΙΕΣ ΛΕΚΑΝΕΣ. ΛΙΜΝΟΘΑΛΑΣΣΑ ΤΟΥ ΑΙΤΩΛΙΚΟΥ Γιάννη Α. 1, Ζαχαρίας Ι. 1 1 Τμήμα Διαχείρισης Περιβάλλοντος και Φυσικών Πόρων Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων, gareti@cc.uoi.gr Περίληψη Η μελέτη αυτή προέκυψε από την ανάγκη διαχείρισης των ανοξικών υπολιμνίων σε βαθιές λεκάνες οικονομικής και οικολογικής σημασίας. Η φυσικοχημική κατάσταση της λιμνοθάλασσας του Αιτωλικού καταγράφηκε δίνοντας ιδιαίτερη σημασία στην κατανομή του διαλυμένου οξυγόνου στην υδάτινη της στήλη, ενώ ένα υδροδυναμικό μοντέλο χρησιμοποιήθηκε για να αναπαράγει τις συνθήκες κυκλοφορίας στο εσωτερικό της. Το μοντέλο βαθμονομήθηκε, επαληθεύτηκε και χρησιμοποιήθηκε ως εργαλείο για την διερεύνηση της επίδρασης διαφορετικών συνθηκών επικοινωνίας μεταξύ των λιμνοθαλασσών Μεσολογγίου και Αιτωλικού στην υδροδυναμική της δεύτερης. Μεταβολές είτε στην μορφολογία του διαύλου επικοινωνίας μιας βαθιάς παράκτιας λεκάνης είτε στο ισοζύγιο αλμυρού/γλυκού νερού μπορούν να μεταβάλουν τις συνθήκες τύρβης στην υδάτινη της στήλη, οι οποίες θα μπορούσαν να συμβάλουν στην μεταφορά διαλυμένου οξυγόνου σε μεγαλύτερα βάθη χωρίς την καταστροφή της στρωμάτωση της. Λέξεις κλειδιά: ανοξία, υποξία, υδροδυναμικό μοντέλο, διαχείριση 3D HYDRODYNAMIC MODELLING FOR ANOXIC HYPOLIMNIA MANAGEMENT. AITOLIKO LAGOON - GREECE Gianni A. 1, Zacharias I. 1 1 Department of Environmental Management and Natural Resource, University of Ioannina, gareti@cc.uoi.gr Abstract This study originated from the need to manage the extension of the anoxic water layers, from deeper to shallower environments, aiming to control the consequences in environments with great economic and ecological values as the lagoons. The physicochemical status in a deep anoxic lagoon (Aitoliko, Greece) was monitored and the spatial distribution of anoxic conditions in the bottom waters was the focal point. A three dimensional numerical model has been used in order to produce the hydrodynamic conditions in the lagoon. The model was calibrated and validated with field measurements, and three scenarios of different interventions (morphological and hydraulic) were investigated. Using a hydrodynamic model as a tool, we attempted to investigate the possibility to control the extension of the anoxic water layers. This work also investigates how morphological modifications in lagoon s sill and changes at the lagoons salt/fresh water budget, can affect water column hydrodynamics. The model, reliably reproduced the hydrodynamic changes in the lagoon, caused by any morphological and/or hydraulic modification, demonstrating the ideal management plan for the control of deep anoxic hypolimnia. Evaluating the modeling results, we concluded that: decreasing fresh water discharges into a deep lagoon, increases epilimnetic density values and the metalimnion extend and intensity is maintaining. When increasing the sill s cross section and maintaining fresh water discharges, the density of a thin surface layer of just a few meters is controlled by the fresh water discharges. The density of the layer extending below that depth and up to the surface of the metalimnion, is attributed solely to the water inflows from the source basin. Simultaneous decrease in fresh water discharges and increase in sill s depth creates a totally different distribution of turbulence conditions on the water column. Keywords: anoxia, hypoxia, hydrodynamic modeling, Aitoliko lagoon, managment.

2 1. Εισαγωγή Οι συγκεντρώσεις του διαλυμένου οξυγόνου σε φυσικά οικοσυστήματα διέπεται από την ισορροπία μεταξύ της παραγωγής του οξυγόνου (π.χ. μέσω της φωτοσύνθεσης), της κατανάλωσης του (π.χ. αναπνοή και άλλες χημικές αντιδράσεις που καταναλώνουν οξυγόνο) και της διαδικασίας ανταλλαγής με την ατμόσφαιρα. Η υποξία/ανοξία των παράκτιων οικοσυστημάτων μπορεί να έχει φυσική προέλευση, να είναι αποτέλεσμα ανθρωπογενών παρεμβάσεων, ή ένας συνδυασμός των δύο. Η φυσικής προέλευσης υποξία/ανοξία συναντάται: (α) στα πυθμαία στρώματα βαθιών λεκανών, τύπου φιόρδ, οι οποίες χαρακτηρίζονται από περιορισμένη κυκλοφορία (π.χ. η Μαύρη Θάλασσα, Anderson and Devol, 1987), (β) ως αποτέλεσμα ανάδυσης ανοξικών ή υποξικών υδάτινων μαζών σε συστήματα υφαλοκρηπίδας (π.χ. η βορειοανατολική υφαλοκρηπίδα του Ειρηνικού, Grantham et al., 2004), (γ) σε παράκτιους κόλπους, ως αποτέλεσμα της τροφικής τους κατάστασης όπως αυτή διαμορφώνεται από το οργανικό φορτίο χερσογενούς προέλευσης που καταλήγει σε αυτούς (Heip et al., 1995). Η ανθρωπογενής επίδραση, στην ανοξία παράκτιων περιβαλλόντων, είναι εμφανής τόσο σε τοπική (π.χ. ευτροφισμός, ποτάμιες απορροές) όσο και σε παγκόσμια κλίμακα (π.χ. κλιματές αλλαγές). Η υπερθέρμανση του πλανήτη, πρόκειται να μειώσει την διαλυτότητα του οξυγόνου στα υδάτινα οικοσυστήματα, να αυξήσει την στρωμάτωση τους ενώ οι αναμενόμενες μεταβολές στο ανεμολογικό καθεστώς θα επηρεάσουν την μεταφορά και την ανάμειξη του οξυγόνου σε αυτά. Αλλαγές στην υδρολογία μια περιοχής, επηρεάζουν την μεταφορά θρεπτικών και οργανικού υλικού από την στεριά στα παράκτια περιβάλλοντα (Turner et al., 2008). Υδρολογικές αλλαγές μπορούν επίσης να προκαλέσουν την ενίσχυση της στρωμάτωσης, είτε εξαιτίας αυξημένης εξατμισοδιαπνοής σε άνυδρες περιοχές, είτε αυξημένων εισροών γλυκού νερού λόγω βροχοπτώσεων ή επιφανειακών απορροών. Αυτές οι φυσικές και ανθρωπογενείς διεργασίες επηρεάζουν και από κοινού ρυθμίζουν την δυναμική του διαλυμένου οξυγόνου στα παράκτια ύδατα. Η ανοξία/υποξία στις παράκτιες περιοχές μπορεί να χαρακτηριστεί ως επεισοδιακή, εποχική ή μόνιμη ανάλογα με τον το χρόνο επικράτησης της σε ένα περιβάλλον. Υπάρχουν σοβαρές ενδείξεις και αυξανόμενη ανησυχία ότι οι περιπτώσεις περιβαλλόντων με μικρές συγκεντρώσεις διαλυμένου οξυγόνου πολλαπλασιάζονται σήμερα παγκοσμίως. (Gray et al., 2002; Diaz and Rosenberg, 2008). Οι προφανείς οικολογικές και οικονομικές επιπτώσεις που σχετίζονται με την ανοξία/υποξία διαφέρουν από σύστημα σε σύστημα. Χαρακτηριστικά παραδείγματα περιβαλλόντων στα οποία ο συνδυασμός των προβλημάτων του ευτροφισμού και της ανοξίας έχει σοβαρές οικολογικές και οικονομικές επιπτώσεις είναι η Μαύρη και η Βαλτική Θάλασσα (Mee, 1992). Η εργασία αυτή έχει σαν στόχο να αναδείξει την προέλευση της ανοξίας σε βαθιές λιμνοθάλασσες και να περιγράψει την εξέλιξη της στον χρόνο. Χρησιμοποιώντας ως εφαρμογή την λιμνοθάλασσα του Αιτωλικού και ένα τρισδιάστατο υδροδυναμικό μοντέλο σαν εργαλείο, θα διερευνηθεί η δυνατότητα ελέγχου της επέκτασης των ανοξικών συνθηκών από τα βαθιά σε ρηχότερα στρώματα παράκτιων περιβαλλόντων. Η εργασία αυτή εξετάζει επίσης πως οι μορφολογικές αλλαγές του διαύλου μιας βαθιάς λιμνοθάλασσας και οι μεταβολές στο ισοζύγιο αλμυρού/γλυκού νερού, μπορούν να επηρεάσουν την υδροδυναμική ενός τέτοιου περιβάλλοντος.

3 Τέλος, με την χρήσης του τρισδιάστατου υδροδυναμικού μοντέλου διερευνάται, αν οι αλλαγές στην υδροδυναμική, μπορούν να συνδεθούν με μεταβολές των ανοξικών συνθηκών στα πυθμαία στρώματα βαθιών λιμνοθαλασσών. 2. Μεθοδολογία 2.1 ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΕΛΕΤΗΣ Η λιμνοθάλασσα του Αιτωλικού είναι μια μόνιμα στρωματοποιημένη λιμνοθάλασσα της Δυτικής Ελλάδας. Αποτελεί το βόρειο τμήμα του συμπλέγματος των λιμνοθαλασσών Μεσολογγίου-Αιτωλικού, ενός υγροβιότοπου υψίστης οικολογικής σημασίας. Πρόκειται για μια τεκτονικής προέλευσης λεκάνη η οποία καταλαμβάνει έκταση 16km 2 και το μέγιστο βάθος της είναι ίσο με 27.5m τη στιγμή που το μέγιστο βάθος της λιμνοθάλασσας του Μεσολογγίου είναι μόλις 2m. Οι δύο λιμνοθάλασσες επικοινωνούν μέσω στενών ανοιγμάτων κάτω από τις γέφυρες του Αιτωλικού, το μέσο βάθος τον οποίων ανέρχεται στα 1.2m. Η μορφολογία της λιμνοθάλασσας του Αιτωλικού σε συνδυασμό με τις μεγάλες ποσότητες γλυκού νερού που δέχεται και την περιορισμένη επικοινωνία της με την γειτονική λιμνοθάλασσα του Μεσολογγίου, έχουν σαν αποτέλεσμα την μόνιμη στρωμάτωση της υδάτινης της στήλης. Το υπολίμνιο της χαρακτηρίζεται από ανοξικές συνθήκες και υψηλές συγκεντρώσεις υδροθείου. Το επιφανειακό της στρώμα το οποίο χαρακτηρίζεται από σχετικά μικρές τιμές αλατότητας (18-25 ) θεωρείται υπεύθυνο για την έντονη στρωμάτωση της λιμνοθάλασσας. Μεγάλες ποσότητες γλυκού νερού εισρέουν στην λιμνοθάλασσα κατά κύριο λόγο μέσο του αντλιοστασίου D6 (Εικ.1). Πρόκειται για νερό που προέρχεται από το αρδευτικό/αποστραγγιστικό δίκτυο της γειτονικής καλλιεργούμενης περιοχής, και ενοχοποιείται τόσο για την μόνιμη στρωμάτωση της υδάτινης στήλης της λιμνοθάλασσας όσο και για τη δυσχερή επικοινωνία μεταξύ των λιμνοθαλασσών Αιτωλικού και Μεσολογγίου. Η διαφορετική μορφολογία των δυο περιβαλλόντων σε συνδυασμό με την περιορισμένη επικοινωνία τους, εξαιτίας ανθρωπογενών παρεμβάσεων στο λιμνοθαλάσσιο σύστημα έχουν οδηγήσει στην δημιουργία δυο διαφορετικών, γειτονικών, περιβαλλόντων. Εστιάζοντας στα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά τους αξίζει να αναφερθεί ότι η λιμνοθάλασσα του Μεσολογγίου είναι ένα ομογενές καλά οξυγονωμένο με τιμές αλατότητας που φτάνουν έως και το 49 την καλοκαιρινή περίοδο. 2.2 ΣΥΛΛΟΓΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Στην εικόνα 1 φαίνονται οι 14 σταθμοί στο εσωτερικό της λιμνοθάλασασας του Αιτωλικού στους οποίους πραγματοποιήθηκαν μηνιαίες δειγματοληψίες από το Μάιο του 2007 έως και τον Απρίλιο του 2008, και για τα επόμενα δύο χρόνια δύο φορές τον χρόνο. In situ μετρήθηκαν παράμετροι όπως, η θερμοκρασία, η αγωγιμότητα και το διαλυμένο οξυγόνου, ενώ η αλατότητα και η πυκνότητα υπολογίστηκαν με βάση τα δεδομένα θερμοκρασίας, αγωγιμότητας και πίεσης. Για την μέτρηση των φυσικοχημικών παραμέτρων χρησιμοποιήθηκε ο πολυπαραμετρικός αισθητήρας της InSitu, TROLL Μετεωρολογικά δεδομένα (ταχύτητα και διεύθυνση ανέμου, θερμοκρασία αέρα, σχετική υγρασία και ηλιακή ακτινοβολία) για την περιοχή μελέτης ήταν διαθέσιμα από τον σταθμό που

4 είναι εγκατεστημένος στην πόλη του Αιτωλικού. Δύο παλιρροιογράφοι (S1, S2) εγκαταστάθηκαν στο εσωτερικό της λιμνοθάλασσας του Αιτωλικού για την καταγραφή των μεταβολών της στάθμης του νερού (Εικ.1). Εικ. 1: (Α) Χάρτης της ευρύτερης περιοχής. (Β) Σταθμοί δειγματοληψίας στην λιμνοθάλασσα του Αιτωλικού 2.3 ΥΔΡΟΔΥΝΑΜΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ. ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗ - ΕΠΑΛΗΘΕΥΣΗ Στην εργασία αυτή χρησιμοποιήθηκε το τρισδιάστατο υδροδυναμικό μοντέλο Μike 3 HD FM, το οποίο έχει αναπτυχθεί από το Υδραυλικό Ινστιτούτο της Δανίας (DHI) και είναι κατάλληλο για προσομοίωση ροών σε κόλπους, παράκτιες περιοχές αλλά και στον ανοιχτό ωκεανό. Η προσομοίωση της υδροδυναμικής της λιμνοθάλασσας του Αιτωλικού πραγματοποιήθηκε για χρονικό διάστημα 35 ημερών (24/7/ /8/2007) καλύπτοντας έτσι το διάστημα μεταξύ δυο διαδοχικών δειγματοληψιών. Η βαθυμετρία της λιμνοθάλασσας περιγράφηκε με την χρήση ενός ευέλικτου πλέγματος 567 στοιχείων, ενώ για την κατακόρυφη διακριτοποίηση της ορίστηκαν 28 συνολικά στρώματα. Το μοντέλο της παρούσας εργασίας περιλαμβάνει ένα ανοιχτό όριο το οποίο ορίστηκε 4km νοτιότερα της πόλης του Αιτωλικού, συμπεριλαμβάνοντας έτσι ένα τμήμα της λιμνοθάλασσας του Μεσολογγίου στην υδροδυναμική προσομοίωση. Σε αυτό το ανοιχτό όριο ορίστηκαν η μεταβολή της στάθμης του νερού, η αλατότητα και η θερμοκρασία για όλη την διάρκεια της προσομοίωσης. Οι αρχικές συνθήκες θερμοκρασίας και αλατότητας, για το υδροδυναμικό μοντέλο, ορίστηκαν με βάση τα κατακόρυφα προφίλ των παραμέτρων όπως αυτές μετρήθηκαν στην δειγματοληψία της 24/7/2007, στο σύνολο των 14 σταθμών. Για την περιγραφή των μετεωρολογικών συνθηκών κατά την διάρκεια της προσομοίωσης χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα από τον σταθμό του Αιτωλικού. Το αντλιοστάσιο D6 αποτέλεσε την μοναδική πηγή γλυκού νερού για την λιμνοθάλασσα του Αιτωλικού με σταθερή απορροή 5m 3 /sec. Το υδροδυναμικό μοντέλο αυτής της εργασίας στήθηκε με σκοπό να προσομοιώσει την υδροδυναμική κυκλοφορία στην λιμνοθάλασσα του Αιτωλικού και να περιγράψει την αλληλεπίδραση της με την γειτονική λιμνοθάλασσα του Μεσολογγίου. Σκοπός είναι το μαθηματικό αυτό ομοίωμα να αποτελέσει ένα εργαλείο για τον έλεγχο των απομονωμένων

5 πυθμαίων στρωμάτων σε βαθιές λιμνοθάλασσες και κατά συνέπεια και τον ανοξικών συνθηκών που επικρατούν σε αυτά. Όπως έχει παρατηρηθεί κατά την διάρκεια της καλοκαιρινής περιόδου η εισροή νερού από την λιμνοθάλασσα του Μεσολογγίου στην λιμνοθάλασσα του Αιτωλικού, παρουσιάζει την μέγιστη της επίδραση στα χαρακτηριστικά της υδάτινης στήλης της δεύτερης. Για τον λόγο αυτό επιλέχθηκε το μοντέλο αυτό να βαθμονομηθεί για την καλοκαιρινή περίοδο. Για την ποσοτικοποίηση της συμφωνίας μεταξύ των αποτελεσμάτων του μοντέλου και των παρατηρήσεων, χρησιμοποιήθηκε ο συντελεστής (model skill) όπως περιγράφηκε από τον Wilmott το 1981, καθώς και η μέση τετραγωνική ρίζα της διαφοράς μεταξύ των μετρημένων και των υπολογισθέντων τιμών. Η ευαισθησία του μοντέλου στις μεταβολές καθενός από τους συντελεστές βαθμονόμησης ελέγχθηκε στα πλαίσια αυτής της μελέτης. Αξιολογώντας τα αποτελέσματα του ελέγχου αυτού αξίζει να αναφέρουμε ότι η μεταβολή του συντελεστή τριβής πυθμένα δεν επηρεάζει την απόδοση του υδροδυναμικού μοντέλου. Η τιμή του ορίστηκε ίση με Για τον ορισμό των συντελεστών οριζόντιου και κατακόρυφου τυρβώδους ιξώδους χρησιμοποιήθηκαν οι τύποι Smagorinky και k-epsilon αντίστοιχα, ενώ οι συντελεστές οριζόντιας και κατακόρυφης διάχυσης ορίστηκαν να είναι ανάλογοι των πρώτων, με συντελεστές αναλογίας, 1 και 0.01 αντίστοιχα. Οι αλλαγές στις τιμές των συντελεστών οριζόντιου τυρβώδους ιξώδους και οριζόντιας διάχυσης επηρεάζουν κατά κύριο λόγο την μεταβολή της στάθμης στην λιμνοθάλασσα του Αιτωλικού, ενώ οι μεταβολές στις τιμές των συντελεστών κατακόρυφου τυρβώδους ιξώδους και κατακόρυφης διάχυσης επηρεάζουν την κατακόρυφη κατανομή της θερμοκρασίας και της αλατότητας, δηλαδή της πυκνότητας στην υδάτινη στήλη της λιμνοθάλασσας του Αιτωλικού. Για τον ορισμό του συντελεστή τριβής ανέμου λάβαμε υπόψη το γεγονός ότι τιμές τους συντελεστή ίσες με δίνουν καλά αποτελέσματα στην περίπτωση μέτριων και ισχυρών ανέμων, ενώ για ασθενείς ανέμους μπορούν να χρησιμοποιηθούν μικρότερες τιμές του συντελεστή (Smith and Banke, 1975). Έχοντας αυτό υπόψη σε συνδυασμό με τα ανεμολογικά δεδομένα (μέγιστη ταχύτητα ανέμου 6m/sec), ο συντελεστής τριβής ανέμου ορίστηκε να είναι γραμμικά μεταβαλλόμενος μεταξύ των τιμών ανάλογα με τις της ταχύτητας του ανέμου (0-6m/sec) Ο συντελεστής τριβής ανέμου, που εκφράζει την επίδραση του ανέμου στην υδροδυναμική της λιμνοθάλασσας, επηρεάζει κατά κύριο λόγο την σταθερότητα της υδάτινης στήλης και την ένταση της στρωμάτωσης της. Για την βαθμονόμηση του μοντέλου τα αποτελέσματα του μοντέλου συγκρίθηκαν με πραγματικές μετρήσεις. Πιο συγκεκριμένα, μετά το τέλος της προσομοίωσης η υπολογισθείσα από το μοντέλο μεταβολή της στάθμης συγκρίθηκε με μετρήσεις από τους σταθμούς S1 και S2, ενώ τα κατακόρυφα προφίλ θερμοκρασίας και αλατότητας που προβλέφθηκαν από το μοντέλο συγκρίθηκαν με τις μετρήσεις στους σταθμούς Α2, Α4, Α8 και Α9 στις 27/8/2007. Η ικανότητα του μοντέλου να αναπαράγει την κατακόρυφη κατανομή της αλατότητας και της θερμοκρασίας στο εσωτερικό της λιμνοθάλασσας του Αιτωλικού μετά την βαθμονόμηση του περιγράφεται από στην εικόνα 2. Στον πίνακα 1 παρουσιάζονται αναλυτικά οι τιμές του συντελεστή κατά Wilmott αλλά και οι τιμές της μέσης τετραγωνικής ρίζας (RMS) όπως αυτές προέκυψαν από την σύγκριση των αποτελεσμάτων του μοντέλου με πραγματικές μετρήσεις.

6 Όπως προκύπτει από τις τιμές του Model Skill αλλά και του RMS το μοντέλο αναπαράγει με μεγάλη επιτυχία την μεταβολή της στάθμης στο εσωτερικό της λιμνοθάλασσας (και στους δύο σταθμούς S1, S2). Το ίδιο συμβαίνει και με την κατακόρυφη κατανομή αλατότητας και θερμοκρασίας στους βαθύτερους σταθμούς Α8 και Α9. Το μοντέλο παρουσιάζει πολύ μικρότερες αποδόσεις στους ρηχούς σταθμούς Α2 και Α4 όπως προκύπτει από τα αποτελέσματα θερμοκρασίας και αλατότητας σε αυτούς. Οι έντονες αυτές διαφοροποιήσεις στους συντελεστές Model Skill και RMS, είναι χωρικά εξαρτώμενες, και σχετίζονται με το βάθος των σταθμών βαθμονόμησης, γεγονός που θα μπορούσε να αποδοθεί στην απότομη μορφολογία της λιμνοθάλασσας του Αιτωλικού. Εικ. 2: Η υπολογισθείσα και η μετρημένη αλατότητα και θερμοκρασία στους σταθμούς Α2, Α4, Α8 και Α9, μετά της διαδικασία βαθμονόμησης του μοντέλου Εικ. 3: Επιφανειακή κυκλοφορία στην λιμνοθάλασσα του Αιτωλικού. Τομές της λιμνοθάλασσας, παράλληλα (ΑΒ) και κάθετα (ΓΔ) στον μέγιστο άξονα της. Στις τομές αυτές απεικονίζεται η είσοδος και η διάχυση των νερών της λιμνοθάλασσα του Μεσολογγίου στο εσωτερικό της λιμνοθάλασσας του Αιτωλικού. Μετά την βαθμονόμηση του, το τρισδιάστατο υδροδυναμικό μοντέλο επαληθεύτηκε για την περίοδο 24/11/ /12/2007. Στον πίνακα 1 παρουσιάζονται αναλυτικά οι τιμές του

7 συντελεστή κατά Wilmott αλλά και οι τιμές της μέσης τετραγωνικής ρίζας (RMS) όπως αυτές προέκυψαν από την σύγκριση των αποτελεσμάτων του μοντέλου με πραγματικές μετρήσεις μετά την διαδικασία επαλήθευσης, στους σταθμούς S1, S2 (μεταβολή στάθμης) και Α2, Α4, Α8 και Α9 (κατακόρυφη κατανομή θερμοκρασίας και αλατότητας). Πίνακας 1: Ο συντελεστής κατά Willmot (model skill) και η μέση τετραγωνική ρίζα (RMS) για την θερμοκρασία, αλατότητα και την στάθμη του νερού, μετά την διαδικασία βαθμονόμησης και επαλήθευσης. Βαθμονόμηση Επαλήθευση Θερμοκρασία Αλατότητα Στάθμη νερού Θερμοκρασία Αλατότητα Στάθμη νερού A2 A4 Α8 A9 A2 A4 A8 A9 S1 S2 A2 A4 Α8 A9 A2 A4 A8 A9 S1 S2 Model Skill RMS (%) Στην εικόνα 3 παρουσιάζεται η επιφανειακή κυκλοφορία στην λιμνοθάλασσα του Αιτωλικού, καθώς και 2 τομές της, μία παράλληλη (ΑΒ) και μία κάθετη (ΓΔ) στον μέγιστο άξονα της. Πρόκειται για κατακόρυφες κατανομές αλατότητας στις οποίες απεικονίζεται η είσοδος και η διάχυση των νερών της λιμνοθάλασσα του Μεσολογγίου στο εσωτερικό της λιμνοθάλασσας του Αιτωλικού κατά την καλοκαιρινή περίοδο. 3. Αποτελέσματα και συζήτηση 3.1 ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ Η παρουσία ανοξικών συνθηκών στο υπολίμνιο της λιμνοθάλασσας του Αιτωλικού είναι γνωστή από τον 18 ο αιώνα. Ιστορικές πηγές κάνουν αναφορά σε ομαδικούς θανάτους ψαριών που προκλήθηκαν από ανάμειξη της λιμνοθάλασσας του Αιτωλικού και απελευθέρωση υδρόθειου στην ατμόσφαιρα (Leonardos and Sinis, 1997). Στο παρελθόν έχουν πραγματοποιηθεί αρκετές μελέτες στην λιμνοθάλασσα του Αιτωλικού, οι οποίες μεταξύ άλλων ασχολήθηκαν και με την καταγραφή της φυσικοχημικής της κατάστασης. Τα παλαιότερα διαθέσιμα δεδομένα προέρχονται από την μελέτη του Χατζικακίδη το 1951, ο οποίος πραγματοποίησε εποχικές δειγματοληψίες στο σύνολο των λιμνοθαλασσών (Αιτωλικό-Μεσολόγγι-Κλείσοβα). Σαράντα χρόνια μετά ο Δανιηλίδης (1991) παρουσίασε τα αποτελέσματα διμηνιαίων δειγματοληψιών που πραγματοποίησε κατά την διάρκεια των ετών 1984 και 1985, ενώ o Ψιλοβίκος και οι συνεργάτες του το 1995 κατέγραψαν τις φυσικοχημικές παραμέτρους της λιμνοθάλασσας την άνοιξη και το καλοκαίρι της ίδιας χρονιάς. Πιο πρόσφατα δεδομένα προέρχονται από μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν σε ένα δίκτυο 13 συνολικά σταθμών τον Δεκέμβριο του 2003 και τον Οκτώβριο του 2004 (Χαλκιάς 2006). Όλοι οι πιο πάνω ερευνητές αναφέρουν σαν βασικά χαρακτηριστικά της λιμνοθάλασσας την μόνιμη ανοξία του υπολιμνίου της και της υψηλές συγκεντρώσεις υδρόθειου σε αυτό. Τον Μάιο του 2006 και με σκοπό την διευκόλυνση της θαλάσσιας επικοινωνίας μεταξύ των λιμνοθαλασσών Αιτωλικού και Μεσολογγίου κατασκευάστηκαν δύο νέα ανοίγματα στην

8 δυτική γέφυρα του Αιτωλικού αυξάνοντας την ροή του νερού μεταξύ τους. Μετά την ολοκλήρωση αυτών των μορφολογικών αλλαγών, η φυσικοχημική κατάσταση της λιμνοθάλασσας του Αιτωλικού παρακολουθήθηκε σε μηνιαία βάση για έναν χρόνο (Μάιος 2006-Απρίλιος 2007). Αυτό που παρατηρήθηκε ήταν ότι η αύξηση της διατομής του διαύλου επικοινωνίας μεταξύ των δύο λιμνοθαλασσών διευκόλυνε την είσοδο οξυγονωμένου νερού υψηλής αλατότητας από την λιμνοθάλασσα του Μεσολογγίου το οποίο προκάλεσε μια ασθενή μείξη στην υδάτινη στήλη της λιμνοθάλασσας του Αιτωλικού τροφοδοτώντας το υπολίμνιο με οξυγόνο κατά την χειμερινή περίοδο, χωρίς την καταστροφή του μεταλιμνίου (Gianni et al., 2011). Τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά της λιμνοθάλασσας του Αιτωλικού καταγράφηκαν για έναν ακόμη χρόνο (Μάιος 2007-Απρίλιος 2008) σε μηνιαία και πάλι βάση και όπως προκύπτει η εποχική μεταβολή των φυσικοχημικών παραμέτρων ακολουθεί το πρότυπο της προηγούμενης χρονιάς. Στην εικόνα 4 παρουσιάζονται οι κατανομές θερμοκρασίας, αλατότητας, πυκνότητας και διαλυμένου οξυγόνου για τον βαθύτερο σταθμό Α9, κατά την διάρκεια αυτής της περιοδου. Στα επόμενα δύο χρόνια η φυσικοχημική κατάσταση της λιμνοθάλασσας του Αιτωλικού καταγράφηκε δυο φορές το χρόνο. Κατά την διάρκεια των δειγματοληψιών αυτών τα κύρια γεγονότα που καταγράφηκαν ήταν: α) η εισροή αλμυρού νερού από την λιμνοθάλασσα του Μεσολογγίου, το καλοκαίρι του 2008, β) ο ομαδικός θάνατος ψαριών κατά τις πρώτες μέρες του Δεκεμβρίου του 2008, γ) η απουσία στρώματος υψηλής αλατότητας από την υδάτινη στήλη της λιμνοθάλασσας του Αιτωλικού την καλοκαιρινή και φθινοπωρινή περίοδο του 2009 και 2010 αντίστοιχα και δ) την επικράτηση ανοξικών συνθηκών κάτω από το βάθος των 17m την χειμερινή περίοδο του Όπως λοιπόν προκύπτει από τις πιο πάνω παρατηρήσεις, οι μορφολογικές αλλαγές οι οποίες πραγματοποιήθηκαν πριν από περίπου 5 χρόνια στο λιμνοθαλάσσιο σύστημα Μεσολογγίου Αιτωλικού, δεν ήταν ικανές να παράσχουν μια μόνιμη λύση στον έλεγχο των ανοξικών συνθηκών στην υδάτινη στήλη μιας βαθιάς λιμνοθάλασσας όπως αυτή του Αιτωλικού. Στην επόμενη ενότητα, το βαθμονομημένο τρισδιάστατο υδροδυναμικό μοντέλο χρησιμοποιείται για την προσομοίωση της κυκλοφορίας στην λιμνοθάλασσα του Αιτωλικού κάτω από διαφορετικές συνθήκες επικοινωνίας της με την λιμνοθάλασσα του Μεσολογγίου. 3.2 ΥΔΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ Η υδροδυναμική κυκλοφορία στην υδάτινη στήλη της λιμνοθάλασσας του Αιτωλικού, κάτω από διαφορετικές συνθήκες επικοινωνίας των λιμνοθαλασσών Αιτωλικού και Μεσολογγίου προσομοιώθηκε και τα αποτελέσματα παρουσιάζονται πιο κάτω. Τρία διαφορετικά σενάρια διερευνήθηκαν. Στο πρώτο σενάριο εξετάστηκε η συμβολή της εισροής γλυκού νερού από το αντλιοστάσιο D6 στην υδροδυναμική της λιμνοθάλασσας του Αιτωλικού. Έτσι σε αυτή την προσομοίωση δεν υπάρχουν εισροές γλυκού νερού στο εσωτερικό της λιμνοθάλασσας, διευκολύνοντας την είσοδο νερού υψηλής αλατότητας από την λιμνοθάλασσα του Μεσολογγίου. Μετά από 35 μέρες προσομοίωσης ένα στρώμα υψηλής αλατότητας παρατηρήθηκε στο επιφανειακό στρώμα της λιμνοθάλασσας του Αιτωλικού με μέγιστη τιμή αλατότητας 25 σε βάθος 5m. Το στρώμα αυτό εκτείνεται έως το βάθος των 10m και μέγιστη του τιμή είναι κατά 1 μεγαλύτερη από εκείνη του

9 στρώματος που σχηματίζεται στην περίπτωση που το D6 τροφοδοτεί με γλυκό νερό την λιμνοθάλασσα του Αιτωλικού. Επιπλέον, το νερό υψηλής αλατότητας που εισρέει στο εσωτερικό της λιμνοθάλασσας σε αυτήν την περίπτωση αυξάνει την αλατότητα του επιλιμνίου (Εικ. 5Α). Στο δεύτερο σενάριο, θεωρήθηκε ότι η επικοινωνία μεταξύ των δύο λιμνοθαλασσών γίνεται μέσω δυο νέων ανοιγμάτων με συνολική διατομή ίση με 500m 2, 130% μεγαλύτερη από εκείνη των υπαρχόντων ανοιγμάτων. Το νερό που εισρέει στην λιμνοθάλασσα του Αιτωλικού κάτω από αυτές τις συνθήκες, υπερνικά το μέτωπο του γλυκού νερού που σχηματίζεται από την λειτουργία του αντλιοστασίου D6. Παρατηρώντας με λεπτομέρεια την κατακόρυφη κατανομή της αλατότητας προκύπτει ότι το γλυκό νερό του αντλιοστασίου ελέγχει τα ανώτερα 3m ενώ οι εισροές από την γειτονική λιμνοθάλασσα καθορίζουν τις τιμές της αλατότητας από εκείνο το βάθος και ως τα 10m (Εικ. 5Α). Το τρίτο σενάριο είναι ένας συνδυασμός τον δύο πρώτων, όπου ο δίαυλος επικοινωνίας των δύο λιμνοθαλασσών έχει συνολική επιφάνεια ίση με 500m 2 και δεν υπάρχουν εισροές γλυκού νερού στην λιμνοθάλασσα του Αιτωλικού. Σε αυτή την περίπτωση το επιφανειακό στρώμα της λιμνοθάλασσας του Αιτωλικού διευρύνεται έως και τα 12m βάθος και χαρακτηρίζεται από μέγιστη τιμή αλατότητας ίση με στο βάθος των 6m (Εικ. 5Α). Οι αλλαγές στις συνθήκες επικοινωνίας μεταξύ των δύο λιμνοθαλασσών, δεν επηρεάζουν την κατακόρυφη κατανομή της θερμοκρασίας (Εικ. 5Β), έτσι οι μεταβολές που παρατηρούνται στα προφίλ της πυκνότητας (Εικ. 5C) αποδίδονται στις μεταβολές της αλατότητας που ήδη περιγράφηκαν. Εικ.4: Πυκνότητα, θερμοκρασία, αλατότητα και διαλυμένο οξυγόνο καθόλη την διάρκεια της δειγματοληπτικής περιόδου στον βαθύτερο σταθμό Α9. Τέλος, στην εργασία αυτή η κατακόρυφη κατανομή της τυρβώδους κινητικής ενέργειας χρησιμοποιήθηκε ως ένας δείκτης της έντασης της τύρβης στην υδάτινη στήλη της λιμνοθάλασσας του Μεσολογγίου. Σκοπός μας ήταν η κατακόρυφη οριοθέτηση των δινών, οι οποίες προκαλούνται από την κίνηση του νερού που εισρέει από την λιμνοθάλασσα του

10 Μεσολογγίου και στις οποίες μπορεί να αποδοθεί η μεταφορά οξυγόνου στο απομονωμένο υπολίμνιο την χειμερινή περίοδο. Εικ.5: Κατακόρυφη κατανομή της αλατότητας (Α), της θερμοκρασίας (Β) της πυκνότητας ( C) και της τυρβώδους κινητικής ενέργειας (D) στο βαθύτερο τμήμα της λιμνοθάλασσας του Αιτωλικού. Στην κατακόρυφη κατανομή της τυρβώδους κινητικής ενέργειας το καλοκαίρι του 2007, δύο μέγιστα παρατηρούνται τα οποία αντιστοιχούν σε δύο διαφορετικές περιοχές αυξημένης τύρβης, η πρώτη στο ανώτερο τμήμα του μεταλιμνίου και η δεύτερη στο κατώτερο τμήμα αυτού. Τα αποτελέσματα των δύο πρώτων σεναρίων προσομοίωσης δεν επιδεικνύουν μεταβολή στο εύρος αυτών των δύο ζωνών υψηλής τύρβης παρά μόνο αύξηση στο μέγεθος της (Εικ. 5D). Διαφορετική είναι όμως η κατάσταση που περιγράφεται από τα αποτελέσματα του τρίτου σεναρίου σύμφωνα με τα οποία η το στρώμα υψηλής τύρβης στο κατώτερο τμήμα του μεταλιμνίου διευρύνεται. 4. Συμπεράσματα Η λιμνοθάλασσα του Αιτωλικού είναι μια βαθιά μόνιμα στρωματοποιημένη, ανοξική λιμνοθάλασσα η οποία χαρακτηρίζεται από περιορισμένη επικοινωνία με την γειτονική της λιμνοθάλασσα του Μεσολογγίου. Το λιμνοθαλάσσιο αυτό σύστημα χρησιμοποιείται σε αυτή την εργασία προκειμένου να εξετασθεί το κατά πόσο μορφολογικές αλλαγές στον δίαυλο επικοινωνίας δυο τέτοιων λεκανών και αλλαγές στο ισοζύγιο αλμυρού/γλυκού νερού στην βαθιά λεκάνη, μπορεί να επηρεάσει την υδροδυναμική της κυκλοφορία και τις ανοξικές συνθήκες του υπολιμνίου της. Για τον σκοπό αυτό ένα τρισδιάστατο υδροδυναμικό μοντέλο δημιουργήθηκε στην προσπάθεια να περιγραφεί η αλληλεπίδραση των δύο λιμνοθαλασσών. Αξιολογώντας τα αποτελέσματα του μοντέλου συμπεραίνουμε ότι: 1) μειώνοντας τις εισροές γλυκού νερού σε μια βαθιά λεκάνη, τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά του επιφανειακού της στρώματος, διαμορφώνονται με βάση τα χαρακτηριστικά του νερού που εισρέει από την λεκάνη τροφοδοσίας. Η επιφανειακή πυκνότητα αυξάνεται και η στρωμάτωση της λεκάνης διατηρείται. Το νερό που εισρέει από την λεκάνη τροφοδοσίας αυξάνει την τύρβη της υδάτινης στήλης, ενισχύοντας κατά πάσα πιθανότητα την τροφοδοσία του υπολιμνίου με διαλυμένο οξυγόνο, β) αυξάνοντας την διατομή του διαύλου επικοινωνίας της βαθιάς λεκάνης με εκείνη της τροφοδοσίας της, η στρωμάτωση της λεκάνης διατηρείται αλλά η τύρβη της υδάτινης στήλης αυξάνεται, τόσο στο ανώτερο όσο και στο κατώτερο τμήμα του μεταλιμνίου, και γ) ταυτόχρονη αύξηση της διατομής του διαύλου και μείωση των εισροών γλυκού νερού σε μια βαθιά λεκάνη έχει σαν αποτέλεσμα ένα διευρυμένο στρώμα υψηλής τύρβης στο κατώτερο τμήμα του μεταλιμνίου της.

11 4. Βιβλιογραφικές αναφορές Anderson, J.J., Devol, A. H., Extent and intensity of the anoxic zone in basins and fjords. Deep-Sea Research Pt. I 34, Chalkias, G., Methodology development for the determination of heavy metals in coastal environments. Atomic Absorption Spectroscopy. Application to Lake Trichonis and Aitoliko lagoon. University of Ioannina. (in Greek) Daneilidis, D., Systematic and ecological study of the diatoms of Messolonghi-Aetoliko-Klisova lagoons. Ph.D. Thesis, University of Athens, Greece, unpublished. Diaz, R.J. Rosenberg, R., Spreading dead zones and consequences for marine ecosystems. Science 321, Gianni, A., Kehayias, G., Zacharias, I., Geomorphology modification and its impact to anoxic lagoons. Ecological Engineering 37, Grantham, B.A., Chan, F., Nielsen, K.J., Fox, D.S., Barth, J.A., Huyer, A., Lubchenco, J., Menge, B. A., Upwellingdriven nearshore hypoxia signals ecosystem and oceanographic changes in the northeast Pacific. Nature 429, Gray, J.S., Wu, R.S.S., Or, Y.Y., Effects of hypoxia and organic enrichment on the coastal marine environment. Marine Ecology Progress Series 238, Heip, C.H.R., Goosen, N.K., Herman, P.M.J., Kromkamp, J., Middelburg, J. J., Soetaert, K., Production and consumption of biological particles in temperate tidal estuaries, London, Ann. Rev. Ocean. Marine Biology 33, Leonardos, I., Sinis, A., Fish mass mortality in the Etolikon lagoon, Greece: The role of local geology. Cybium 21, Mee, L.D., The Black Sea in crisis: A need for concerted international action. Ambio 21, Psilovikos, A., Evaluation and management of the lower Acheloos drainage water budget for the development and environmental enhancement of its estuary, lagoons and the greater area. Aristotel University of Thessaloniki. (in Greek) Smith, S.D., Banke, E.G., Variation of the sea drag coefficient with wind speed.quarterly Journal of the Royal Meteorological Society 101, Turner, R.E., Rabalais, N.N., Justic, D., Gulf of Mexico hypoxia: Alternate states and a legacy. Environmental Science of Technology 42, Wilmott, C.J., On the validation of models. Physical Geography 2, Hatzikakidis, A., Seasonal hydrological study in Messolonghi-Aitoliko lagoon. Proceedings of the Hellenic Hydrobiological Institute, Volume V, Issue 1, Greece, unpublished.