ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΣΤΑΘΜΗΣ-ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΟΡΙΟΘΕΤΗΣΗ ΤΗΣ ΚΑΤΩΤΑΤΗΣ ΣΤΑΘΜΗΣ ΥΔΡΟΛΗΨΙΑΣ ΤΑΜΙΕΥΤΗΡΑ

Transcript

1 ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΣΤΑΘΜΗΣ-ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΟΡΙΟΘΕΤΗΣΗ ΤΗΣ ΚΑΤΩΤΑΤΗΣ ΣΤΑΘΜΗΣ ΥΔΡΟΛΗΨΙΑΣ ΤΑΜΙΕΥΤΗΡΑ Δημήτριος Μυρωνίδης Εργαστήριο Διευθετήσεως Ορεινών Υδάτων, Τμήμα Δασολογίας και Φυσικού Περιβάλλοντος, 54124, Ταχ. Θυρ.268, Α.Π.Θ. ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σε ένα υπό σχεδιασμό ταμιευτήρα, η σχέση ανάμεσα στη στάθμη και τη χωρητικότητά του καθώς και η οριοθέτηση της κατώτατης στάθμης υδροληψίας του ταμιευτήρα αποτελούν κρίσιμες πληροφορίες, οι οποίες μας κατευθύνουν στην απόφαση υλοποίησης ή μη του έργου. Ο στόχος της παρούσης εργασίας είναι αρχικά να προτείνει μια μεθοδολογία, η οποία θα μας διευκολύνει να εξάγουμε από το ψηφιακό μοντέλο εδάφους, εύκολα και με υψηλή ακρίβεια, την καμπύλη στάθμης-χωρητικότητας ταμιευτήρα χρησιμοποιώντας μια σειρά τεχνικών στο Σύστημα Γεωγραφικών Πληροφοριών ArcGIS. Ακολούθως, χρησιμοποιείται το γεω-χωρικό μοντέλο διάβρωσης του Gavrilovic, προκειμένου να εκτιμηθεί ο νεκρός όγκος του ταμιευτήρα, δεδομένο απαραίτητο για την οριοθέτηση της κατώτατης στάθμης υδροληψίας του ταμιευτήρα. Τέλος, το μοντέλο διάβρωσης καταδεικνύει τις θέσεις παραγωγής φερτών υλών, πληροφορία που είναι σημαντική για τον εντοπισμό των θέσεων ίδρυσης φραγμάτων ελέγχου των φερτών υλικών. ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙΔΙΑ: καμπύλες ταμιευτήρα, κατώτατη στάθμη υδροληψίας ταμιευτήρα, ArcGIS, Διάβρωση, Gavrilovic DERIVATION OF RESERVOIR AREA-CAPACITY CURVE AND DELIMITATION OF THE RESERVOIR S CONDUIT MIN ELEVATION Dimitrios Myronidis Laboratory of Mountainous Water Management and Control, School of Forestry and Natural Environment, 54124, PΟ Box 268., A.U.Th, myronid@gmail.com ABSTRACT At the planning stage of a reservoir, the relations between the water level and its capacity as well as the delimitation of conduit min elevation are elementary information that crucially affects the decision-making regarding the implementation of this project. Initially, the purpose of this paper is to propose a methodology that rapidly and accurately facilitates the derivation of the reservoir area-capacity curve from a Digital Elevation Model by utilizing a series of techniques in ArcGIS. Afterwards, the Gavrilovic geo-spatial erosion model is employed so as to estimate the inflow sediment volume, a factor that is necessary in order to define the conduit min elevation. Finally, the erosion model reveals the erosion hotspots, an information that is of great importance for the establishment of erosion control check dams. KEY-WORDS: Reservoir curves, ArcGIS, Delimitation of conduit min elevation, Erosion, Gavrilovic

2 ΥΔΡΟΤΕΧΝΙΚΑ (2017) 26: ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η κατασκευή των ταμιευτήρων προσφέρει πολύπλευρα οφέλη στον άνθρωπο, όπως είναι ο έλεγχος των πλημμυρικών φαινομένων και της στερεομεταφοράς, η άρδευση των καλλιεργειών, η ύδρευση πόλεων, η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, η αναψυχή, η αλλαγή του τοπικού μικροκλίματος κ.α. (Lehner et al., 2011). Οι μεγάλοι ταμιευτήρες όμως συχνά έχουν και δυσμενείς περιβαλλοντικές επιπτώσεις, όπως η διακοπή της ελεύθερης μετακίνησης των ψαριών λόγω της παρεμβολής του φράγματος (Tundisi et. al., 2014), την παγίδευση φερτών υλών, οι οποίες είναι απαραίτητες για την συντήρηση σημαντικών υγροβιοτόπων που βρίσκονται κατάντη (Emmanouloudis et al., 2006), αλλαγές στη σύνθεση της ιχθυοπανίδας εξαιτίας των μεταβολών σε θερμοκρασία και επίπεδα οξυγόνου στον υδάτινο όγκο του ταμιευτήρα (Chen et al., 2014) κ.α. Ωστόσο, κατά κανόνα, τα οφέλη από την κατασκευή του φράγματος είναι κατά πολύ σημαντικότερα από τις αρνητικές τους επιπτώσεις. Ο σκοπός της παρούσης εργασίας είναι να αποτιμήσει με υψηλή ακρίβεια δυο πολύ σημαντικά φυσικά χαρακτηριστικά ενός ταμιευτήρα, το διάγραμμα στάθμης-επιφάνειαςόγκου και την κατώτατη στάθμη υδροληψίας ταμιευτήρα, τα οποία είναι απαραίτητα στην διαδικασία λήψης απόφασης υλοποίησης ή μη του έργου. Αρχικά, θα παρουσιαστεί μια μεθοδολογία δημιουργίας της καμπύλης στάθμης-επιφάνειας-όγκου ταμιευτήρα, η οποία βασίζεται σε τεχνικές GIS που υλοποιούνται στο ArcGIS, ενώ ο καθορισμός της κατώτατης στάθμης υδροληψίας βασίζεται στην εκτίμηση του νεκρού όγκου ταμιευτήρα για περίοδο λειτουργίας 40 ετών και πραγματοποιείται με την εφαρμογή του γεω-χωρικού μοντέλου διάβρωσης του Gavrilovic (1976). Ο επακριβής προσδιορισμών των παραπάνω φυσικών χαρακτηριστικών του ταμιευτήρα είναι απαραίτητος τόσο κατά την φάση της μελέτης του φράγματος, μιας και καθορίζει το τελικό υπέργειο ύψος του φράγματος, όσο και μετέπειτα στη φάση λειτουργίας και διαχείρισης του ταμιευτήρα. Γενικά, ο προσδιορισμός της καμπύλης στάθμης-επιφάνειας-όγκου ταμιευτήρα πραγματοποιείται συνήθως με μετρήσεις στον τοπογραφικό χάρτη (Chow 1959), αν και για τον σκοπό αυτό έχουν χρησιμοποιηθεί σύνθετες παραβολικές (Kaveh et al., 2013), διαφορικές εξισώσεις (Haghiabi et al., 2013), εξισώσεις τραπεζοειδούς μορφής (Jain and Singh, 2002), εξισώσεις που βασίζονται στην ανάλυση της παλινδρόμησης μεταξύ της επιφάνειας του ταμιευτήρα και του όγκου του (Meigh, 1995, Yang and Lu, 2013) και εξισώσεις που προσομοιάζουν τον ταμιευτήρα με ένα πρίσμα (Liebe et al., 2005). Ωστόσο, η πιο διαδεδομένη μεθοδολογία υπολογισμού της καμπύλης στην πράξη είναι η εφαρμογή της τραπεζοειδούς εξίσωσης κατά την οποία αρχικά υπολογίζεται η επιφάνεια κάθε χωροσταθμικής καμπύλης και με βάση την υψομετρική διαφορά μεταξύ δυο συνεχόμενων χωροσταθμικών καμπυλών και σχετικού μαθηματικού τύπου υπολογίζεται ο όγκος μεταξύ δυο συνεχόμενων χωροσταθμικών καμπυλών (Goel et al., 2002, Jain and Singh, 2002). Στην παρούσα εργασία προτείνεται μια μεθοδολογία εξαγωγής της σχετικής καμπύλης από το ψηφιακό μοντέλο εδάφους χρησιμοποιώντας τεχνικές G.I.S., οι οποίες απλοποιούν σημαντικά την διαδικασία εξαγωγής των καμπυλών και προσφέρουν ταυτόχρονα υψηλή ακρίβεια. Η προτεινόμενη μεθοδολογία θα επιτρέψει την ταχύτατη και επακριβή εξαγωγή της καμπύλης στάθμης-επιφάνειας-όγκου ταμιευτήρα στο Γεωγραφικό Σύστημα Πληροφοριών ArcGIS (Κουτσόπουλος και Ανδρουλακάκης, 2005), γεγονός ιδιαίτερα σημαντικό για την σύνταξη μελετών ταμιευτήρων αλλά και για την μετέπειτα ορθολογική διαχείρισή τους. Η υποβάθμιση του εδάφους επιδρά άμεσα στους υδατικούς πόρους, την υγεία του ανθρώπου, το κλίμα και την βιοποικιλότητα (Directive 232, 2006). Η διάβρωση στην λεκάνη απορροής δημιουργεί εστίες παραγωγής φερτών υλών, οι οποίες, μέσω παραπυθμένιας ή αιωρομεταφοράς από τα υδατορέμματα, αποτίθενται στα κατάντη. Τα αδρομερέστερα υλικά αποτίθενται πρώτα στο άνω μέρος του ταμιευτήρα εξαιτίας της μείωσης της ταχύτητας του νερού, ενώ τα λεπτότερα αποτίθενται στο κάτω μέρος του ταμιευτήρα (Jain and Singh, 2002).

3 ΥΔΡΟΤΕΧΝΙΚΑ (2017) 26: Το σύνολο των υλικών τα οποία αποτίθενται στον ταμιευτήρα για περίοδο 40 ετών αποτελούν τον νεκρό όγκο του ταμιευτήρα, ο οποίος καθορίζει και την κατώτατη στάθμη υδροληψίας. Στην βιβλιογραφία έχουν καταγραφεί τρεις κύριες μέθοδοι υπολογισμού της διάβρωσης και της στερεομεταφοράς σε ταμιευτήρες: α) με την βοήθεια μοντέλων διάβρωσης και απόθεσης φερτών υλών (εμπειρικά, στοχαστικά, αναλυτικά-προσδιοριστικά μοντέλα) (Merritt et al., 2003, De Vente and Poesen 2005, Ξανθάκης, 2011), β) με συστηματικές και συνεχόμενες δειγματοληψίες των φερτών υλών που μεταφέρουν οι χείμαρροι (Steegen et al., 2000) και γ) με εξειδικευμένες βυθομετρικές τοπογραφικές αποτυπώσεις σε εν λειτουργία ταμιευτήρα (Wilson and Richards 2006, Ξανθάκης, 2011) ή σε αποξηραμένο ταμιευτήρα (Tamene et al., 2006). Οι δυο τελευταίες μεθοδολογίες απαιτούν σημαντικούς οικονομικούς πόρους, χρόνο και εξειδικευμένο προσωπικό, τα οποία συνήθως δεν είναι διαθέσιμα, ενώ η εφαρμογή μοντέλων διάβρωσης αποτελεί την πιο συνηθισμένη μέθοδο υπολογισμού του νεκρού όγκου ταμιευτήρα (Tamene et al., 2006) με τα γνωστά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα (Merritt et al., 2003). Στην παρούσα εργασία επιλέχτηκε η εφαρμογή του εμπειρικού μοντέλου του Gavrilovic έναντι των υπολοίπων εξαιτίας των γεγονότων ότι συμπεριλαμβάνει στους υπολογισμούς του όλα τα είδη της διάβρωσης, αποτιμά τη μέση ετήσια εδαφική διάβρωση σε κλίμακα λεκάνης απορροής (Gavrilovic 1972), έχει εφαρμοστεί προηγουμένως σε ποικίλα και διαφορετικά περιβάλλοντα σε ολόκληρο το κόσμο (Ξανθάκης, 2011) και εκτιμά ικανοποιητικά την ποσότητα φερτών υλών που εισέρχονται σε ταμιευτήρες (Globevnik et al. 2003). Η διάβρωση με τη μέθοδο του Gavrilovic υπολογίζεται με βάση τρεις κύριους παράγοντες, οι οποίοι εκφράζουν την επίδραση της βλάστησης, την διαβρωσιμότητα του γεωλογικού υποθέματος και τον τύπο της διάβρωσης, ενώ η ετήσια βροχόπτωση, η θερμοκρασία, η μέση κλίση και το εμβαδό της επιφάνειας της λεκάνης επηρεάζουν τη μέθοδο (De Vente και Poesen 2005). 2. ΠΕΡΙΟΧΗ ΕΡΕΥΝΑΣ Το χειμαρρικό ρέμα του Διποτάμου αναπτύσσεται στο Νοτιοανατολικό τμήμα της N. Θάσου, καλύπτει έκταση περίπου 40 km 2, ενώ το μέσο υψόμετρο και το μήκος της κεντρικής του κοίτης ανέρχονται στα 355 m και 15.2 km, αντίστοιχα, όπως προέκυψε από την επεξεργασία του χάρτη κλίμακας 1:50000 της Γεωγραφικής Υπηρεσίας Στρατού (Γ.Υ.Σ.) (Σχήμα 1). Επιπρόσθετα, η λεκάνη απορροής αναπτύσσεται κυρίως στο λοφώδη (62.6%) και δευτερευόντως στον πεδινό χώρο (28.4%). Η ψηφιοποίηση των διαχειριστικών χαρτών κλίμακας 1:20000 του δασαρχείου Θάσου κατέδειξε ότι η λεκάνη απορροής έχει πολύ καλή δασοκάλυψη με το 51% να καλύπτεται με Χαλέπιο Πεύκη και το 15,3% από Μαύρη Πεύκη, με σημαντικό ποσοστό να καταλαμβάνουν οι γεωργικές καλλιέργειες (15,7%), ενώ ο βαθμός της ανθρωπογενούς επίδρασης στη βλάστηση είναι κυρίως ασθενής. Η επεξεργασία του γεωλογικού χάρτη κλίμακας 1:50000 του Ινστιτούτου Γεωλογικών και Μεταλλευτικών Ερευνών αποκάλυψε ότι η λεκάνη απορροής του χειμαρρικού ρέματος Διπόταμου κυριαρχείται από Γνεύσιο και Μάρμαρα σε ποσοστά που προσεγγίζουν το 42% και 31% αντίστοιχα. Επιπρόσθετα, με βάση τα στοιχεία του εδαφολογικού χάρτη του Εθνικού Ιδρύματος Αγροτικής Έρευνας προέκυψε ότι στη λεκάνη απορροής παρατηρείται ασθενής διάβρωση. Τέλος, τα δεδομένα του μετεωρολογικού σταθμού του Περιφερειακού Κέντρου Προστασίας Φυτών και Ποιοτικού Ελέγχου Καβάλας ( ), ο οποίος είναι εγκατεστημένος στον Πρίνο (Σχήμα 1) σε υψόμετρο 340 μέτρων, κατέδειξαν ότι στην θέση του μετεωρολογικού σταθμού το μέσο ετήσιο ύψος των κατακρημνισμάτων ανέρχεται περίπου στα 513 mm και η μέση ετήσια θερμοκρασία στους 11.6 ο C. Τα προαναφερθέντα μετεωρολογικά δεδομένα χρησιμοποιήθηκαν ακολούθως για τις ανάγκες τις έρευνας μιας και η υψομετρική διαφορά ανάμεσα στο μέσο υψόμετρο της λεκάνης και το υψόμετρο του

4 ΥΔΡΟΤΕΧΝΙΚΑ (2017) 26: μετεωρολογικού σταθμού ανέρχεται στα 15m, ενώ και η απόσταση του κέντρου βάρους της λεκάνης απορροής ως την θέση του μετεωρολογικού σταθμού δεν υπερβαίνει τα 10.5 km. Σχήμα 1. Χάρτης προσανατολισμού 3. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ 3.1 ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΚΑΜΠΥΛΗΣ ΥΨΟΣ ΦΡΑΓΜΑΤΟΣ ΣΤΑΘΜΗΣ - ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΑΜΙΕΥΤΗΡΑ Η σχετική καμπύλη δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας ως πρωτογενή δεδομένα, το ψηφιακό μοντέλο εδάφους, το υδρογραφικό δίκτυο της λεκάνης απορροής - τα οποία παρήχθησαν από την ψηφιοποίηση των χωροσταθμικών καμπύλων 20 m του τοπογραφικού χάρτη της Γ.Υ.Σ. - και την θέση κατασκευής του φράγματος, η οποία επισημάνθηκε στον ίδιο χάρτη. Με βάση αυτά τα δεδομένα και με μια σειρά τεχνικών που αναπτύχθηκαν στο Γεωγραφικό Σύστημα Πληροφοριών ArcGIS, αναπαράχθηκε η σχετική καμπύλη. Η τεχνική δημιουργίας της καμπύλης στάθμης-χωρητικότητας περιλαμβάνει τα ακόλουθα πέντε βήματα: 1. Στην προτεινόμενη θέση κατασκευής σχεδιάζεται ο άξονας του φράγματος κάθετα στην κεντρική κοίτη και επεκτείνεται αμφίπλευρα ως το σημείο τομής του με τον υδροκρίτη. Επιπρόσθετα, στον σχεδιασμένο άξονα εντοπίζεται, από τον τοπογραφικό χάρτη, το μέγιστο και το ελάχιστο υψόμετρο και υπολογίζεται το μέγιστο ύψος του φράγματος που μπορεί να κατασκευαστεί στη συγκεκριμένη θέση ως η διαφορά των δυο υψομέτρων. 2. Δημιουργείται από το ψηφιακό μοντέλο εδάφους μια χωροσταθμική καμπύλη στο μέγιστο υψόμετρο του φράγματος, η οποία και αποτελεί την μέγιστη δυνατή λεκάνη κατάκλυσης. Επιπρόσθετα, ελέγχεται αν η μέγιστη λεκάνη κατάκλυσης συμπεριλαμβάνει επιφάνειες ιδιαίτερης σημασίας που δεν επιθυμούμε να κατακλυστούν π.χ. αρχαιολογικοί χώροι, οικισμοί, μνημεία της φύσης, κλπ. Στην περίπτωση αυτή θα πρέπει να δημιουργηθεί μια νέα μικρότερη λεκάνη κατάκλυσης της οποίας το μέγιστο υψόμετρο θα ισούται με το κατώτερο υψομετρικό όριο της επιφάνειας που δεν επιθυμούμε να κατακλυστεί.

5 ΥΔΡΟΤΕΧΝΙΚΑ (2017) 26: Η χωροσταθμική καμπύλη που προέκυψε από το προηγούμενο βήμα ενώνεται με τον άξονα του φράγματος και σχηματίζουν την μέγιστη λεκάνη κατάκλυσης, ενώ το γραμμικό αυτό επίπεδο μετατρέπεται σε πολυγωνική μορφή. 4. Το ψηφιακό μοντέλο εδάφους της λεκάνης απορροής μετατρέπεται σε μορφή grid, αν και θα πρέπει να τονιστεί ότι στην χώρα μας υπάρχει διαθεσιμότητα Ψηφιακών Μοντέλων Εδάφους και σε μορφή κανάβου (grid) γεγονός που απλοποιεί τη διαδικασία σε ένα βαθμό. Στη συνέχεια περιορίζεται το grid του ψηφιακού μοντέλου εδάφους στα όρια του προαναφερθέντος πολυγωνικού επιπέδου, που αντιστοιχεί στη μέγιστη λεκάνη κατάκλυσης, και μετατρέπεται σε μορφή tin. Αποτέλεσμα όλων των παραπάνω ενεργειών είναι να παραχθεί το ψηφιακό μοντέλο εδάφους της λεκάνης κατάκλυσης. 5. Χρησιμοποιώντας την εντολή Area & Volume statistics υπολογίζουμε εύκολα για κάθε μέτρο ύψους φράγματος, από το κατώτερο ως το μέγιστο δυνατό υψόμετρο του φράγματος, ποιος όγκος και ποια επιφάνεια αντιστοιχούν. Η συγκεκριμένη εντολή του ArcGIS υπολογίζει τη διαφορά, τόσο του όγκου όσο και της επιφανείας, μεταξύ του ψηφιακού μοντέλου εδάφους και ενός οριζόντιου επιπέδου που επιλέγεται από τον χρήστη του ArcGIS και αντιστοιχίζεται με το επιθυμητό υψόμετρο της λεκάνης κατάκλυσης. Το text file που προκύπτει από το προηγούμενο βήμα και εμπεριέχει σε διαφορετικά πεδία την πληροφορία ύψος φράγματος-επιφάνεια κατάκλυσηςαποθηκευμένος όγκος το εισάγουμε στο Excel και δημιουργούμε, με απλές εντολές το τελικό διάγραμμα. 3.2 ΟΡΙΟΘΕΤΗΣΗ ΤΗΣ ΚΑΤΩΤΑΤΗΣ ΣΤΑΘΜΗΣ ΥΔΡΟΛΗΨΙΑΣ ΤΟΥ ΤΑΜΙΕΥΤΗΡΑ H εξίσωση του Gavrilovic (1972), η οποία μας παρέχει την μέση ετήσια διάβρωση στην λεκάνη απορροής, έχει την ακόλουθη μορφή: 3 W T * h * * z * F (m 3 /έτος) (1) όπου: W ο όγκος μέσης ετήσιας παραγωγής φερτών υλικών στην ορεινή λεκάνη απορροής του χειμαρρικού ρεύματος (m 3 /έτος), h το μέσο ετήσιο ύψος βροχής της λεκάνης (mm), π ο αριθμός 3,14159, F η επιφάνεια της λεκάνης (km 2 ), Τ συντελεστής θερμοκρασίας, ο οποίος παρέχεται από τη Εξ. (2) και z συντελεστής διάβρωσης, ο οποίος υπολογίζεται από τη Εξ. (3): 0 t Τ = 0, 1 10 (2) t 0 : μέση ετήσια θερμοκρασία στην ορεινή λεκάνη απορροής ( ο C) z x * y *( J ) (3) όπου: με x, y, φ συμβολίζονται οι παράγοντες που καθορίζουν την επίδραση της φυτοκάλυψης στην προστασία του εδάφους, την διαβρωσιμότητα του πετρώματος και το είδος και την έκταση της διάβρωσης αντίστοιχα και δίνονται από πίνακες, ενώ ο J εκφράζει την μέση κλίση της λεκάνης απορροής (%). Επιπρόσθετα, εφόσον υπολογιστεί ο όγκος των φερτών υλικών που παράγονται στην λεκάνη απορροής, ακολούθως υπολογίζεται ο συντελεστής στερεομεταφοράς προκειμένου να εκτιμηθεί ποιο ποσοστό από το συνολικό όγκο των φερτών υλικών καταλήγει στον ταμιευτήρα, με βάση την ακόλουθη εξίσωση (Gavrilovic 1976, Globevnik et al. 2003):

6 ΥΔΡΟΤΕΧΝΙΚΑ (2017) 26: ,5 ( O* D) R (4) 0,25*( L 10) όπου: Ο η περίμετρος της λεκάνης απορροής (km), D η διαφορά μεταξύ του μέσου και ελαχίστου υψόμετρου για το τμήμα της λεκάνης απορροής μετά τον άξονα του φράγματος (km) και L το μήκος της κεντρικής κοίτης (km). Τέλος, η μέση ετήσια ποσότητα των φερτών υλικών που καταλήγουν στον ταμιευτήρα υπολογίζονται με βάση την ακόλουθη εξίσωση, ενώ συνολικά το διάγραμμα ροής της προαναφερθείσας μεθοδολογίας παρουσιάζεται στο Σχήμα 2. G R*W (m 3 year -1 ) (5) Επίδραση φυτοκαλλύματος x Συντελεστής θερμοκρασίας T ( t 0 /10) 0. 1 Μέσο υψόμετρο λεκάνης D Διαβρωσιμότητα πετρώματος Είδος και βαθμός διάβρωσης y φ Επιφάνεια της λεκάνης Μέσο ετήσιο ύψος βροχής της λεκάνης F h Περίμετρος λεκάνης Μήκος κεντρικής κοίτης o L Κλίση επιφάνειας λεκάνης απορροής J z x y ( φ J ) W T h Σχήμα 2. Διάγραμμα ροής των εργασιών για τον υπολογισμό της ποσότητας των φερτών υλικών που καταλήγουν στον ταμιευτήρα Στη συνέχεια, υπολογίζεται o νεκρός όγκος για περίοδο λειτουργίας 40 ετών (40*G). Έχοντας υπολογίσει τον νεκρό όγκο του ταμιευτήρα από την καμπύλη ύψος φράγματοςστάθμης-χωρητικότητας ταμιευτήρα μπορούμε τελικώς να οριοθετήσουμε την κατώτατη στάθμη υδροληψίας του ταμιευτήρα. 4. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ-ΣΥΖΗΤΗΣΗ 4.1 ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΚΑΜΠΥΛΗΣ ΥΨΟΣ ΦΡΑΓΜΑΤΟΣ-ΣΤΑΘΜΗΣ- ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΑΜΙΕΥΤΗΡΑ 1. Στην προτεινόμενη θέση κατασκευής σχεδιάζεται ο άξονας του φράγματος, του οποίου το κατώτατο υψόμετρο είναι 60 m, ενώ συναντάει τον υδροκρίτη στο μέγιστο υψόμετρο, το οποίο στα δεξιά αντιστοιχεί στα 280 m και στα αριστερά στα 250 m. Συνεπώς, το μέγιστο δυνατό υψόμετρο του φράγματος ανέρχεται στα 190 m ( m). 2. Με την εντολή contour surface analysis δημιουργούμε μια μοναδική χωροσταθμική καμπύλη στο υψόμετρο των 250 m, ορίζοντας ως base contour=250 m και contour interval=4000 m. Ωστόσο, η χωροσταθμική αυτή, η οποία αντιστοιχεί στη μέγιστη λεκάνη κατάκλυσης, παρατηρούμε ότι διέρχεται μέσα από τον οικισμό του Θεολόγου και συνεπώς θα πρέπει να δημιουργηθεί μια νέα μικρότερη λεκάνη κατάκλυσης στο κατώτερο υψόμετρο του οικισμού του Θεολόγου, έτσι ώστε να εξαλειφθεί ο κίνδυνος κάλυψης του οικισμού με ύδατα. Συνεπώς, επαναλαμβάνουμε την προηγούμενη διαδικασία δημιουργίας της χωροσταθμικής καμπύλης, με υψόμετρο 210 m, έτσι ώστε η λεκάνη κατάκλυσης να μην καλύψει και τμήμα του οικισμού Θεολόγου. 3. Η τελευταία ενώνεται με τον άξονα του φράγματος και σχηματίζουν την μέγιστη λεκάνη κατάκλυσης, η οποία αντιστοιχεί στο υψόμετρο των 210 m, ενώ το γραμμικό αυτό z 3 F 0,5 ( O * D ) R 0,25 * ( L 10 ) G R * W

7 ΥΔΡΟΤΕΧΝΙΚΑ (2017) 26: επίπεδο μετατρέπεται σε πολυγωνική μορφή χρησιμοποιώντας την εντολή Data management/feature to poly. 4. Το ψηφιακό μοντέλο εδάφους της λεκάνης απορροής μορφής κανάβου περιορίζεται στα όρια του προαναφερθέντος ος πολυγωνικού επιπέδου χρησιμοποιώντας την εντολή masking grid, που αντιστοιχεί στη μέγιστη λεκάνη κατάκλυσης. Ακολούθως, μετατρέπεται σε μορφή tin δημιουργώντας με αυτόν τον τρόπο το ψηφιακό μοντέλο εδάφους της λεκάνης κατάκλυσης (Σχήμα 3α). Σχήμα 3. Το ψηφιακό μοντέλο εδάφους της λεκάνης κατάκλυσης (α) 3D άποψη της λεκάνης κατάκλυσης, του φράγματος και του εκκενωτή (β) 5. Με την εντολή Area & Volume statistics του 3D Analyst και με τις επιλογές - calculate statistic below plane και save/append statistics to text file, υπολογίζουμε (Σχήμα 4) εύκολα και με ακρίβεια για κάθε μέτρο ύψους φράγματος, από το κατώτερο των 1 m ως το μέγιστο υψόμετρο της λεκάνης κατάκλυσης στα 190 m, ποιος όγκος και ποια επιφάνεια αντιστοιχούν, ενώ είναι δυνατό να εξάγουμε τα δεδομένα χρησιμοποιώντας οποιαδήποτε ισοδιάσταση επιθυμούμε (π.χ. 0.5μ). DATASET C TYPE TIN ZFACTOR 1 PLANE_HEIGHT 61 REFERENCE BELOW_PLANE 2D_AREA 31575,72 3D_AREA 31727,06 VOLUME 29524,41 DATASET C TYPE TIN ZFACTOR 1 PLANE_HEIGHT 62 REFERENCE BELOW_PLANE 2D_AREA 34860,1 3D_AREA 35213,27 VOLUME 62742,82 Σχήμα 4. Υπολογισμός της επιφάνειας και του όγκου του ταμιευτήρα για υψόμετρο 61 & 62m.

8 ΥΔΡΟΤΕΧΝΙΚΑ (2017) 26: Το text file που προκύπτει από το προηγούμενο βήμα (Σχήμα 4), και εμπεριέχει σε διαφορετικά πεδία την πληροφορία ύψος φράγματος-επιφάνεια κατάκλυσηςαποθηκευμένος όγκος, εισάγεται στο Excel και φιλτράρεται, έτσι ώστε να απομονωθεί κάθε πληροφορία σε ξεχωριστό πεδίο για να δημιουργηθεί στην συνέχεια με απλές εντολές το τελικό διάγραμμα στάθμης-χωρητικότητας επιφάνειας του ταμιευτήρα (Σχήμα 5). Έκταση (εκατ. m 2 ) Ύψος φράγματος (m) Όγκος Έκταση Όγκος (εκατ. m 3 ) Ύψος φράγματος (m) Σχήμα 5. Διάγραμμα στάθμης-χωρητικότητας-επιφάνειας ταμιευτήρα Με βάση τις ανάγκες για άρδευση και το υψηλής ακρίβειας διάγραμμα στάθμηςχωρητικότητας το οποίο δημιουργήθηκε προηγουμένως (Σχήμα 5) επιλέγεται το τελικό κατασκευαστικό ύψος του φράγματος μετά από κατάλληλες προσομοιώσεις της λειτουργίας του ταμιευτήρα. 4.2 ΟΡΙΟΘΕΤΗΣΗ ΤΗΣ ΚΑΤΩΤΑΤΗΣ ΣΤΑΘΜΗΣ ΥΔΡΟΛΗΨΙΑΣ ΤΟΥ ΤΑΜΙΕΥΤΗΡΑ Οι πληροφορίες του χάρτη βλάστησης και του γεωλογικού χάρτη συνδυάστηκαν με τους αντίστοιχους πίνακες του Gavrilovic και προέκυψαν χάρτες κατανομής των συντελεστών x και y του Gavrilovic, ενώ ο συντελεστής J υπολογίστηκε από το ψηφιακό μοντέλο εδάφους. Επίσης, εξαιτίας του γεγονότος ότι στην περιοχή έρευνας αναπτύσσονται σκληρά πετρώματα, ανθεκτικά στη διάβρωση, ενώ παράλληλα υπάρχει πολύ καλή δασοκάλυψη, η διάβρωση που παρατηρείται στο πεδίο είναι ασθενής, κάτι που συνάδει και με τα στοιχεία του εδαφολογικού χάρτη του Εθνικού Ίδρυματος Αγροτικής Έρευνας που χαρακτηρίζουν την διάβρωση στην λεκάνη απορροής ως ασθενής, με αποτέλεσμα ο συντελεστής φ να είναι ίσος με 0.1. Ακολούθως, με την βοήθεια του εργαλείου Raster Calculator του Spatial Analyst, πραγματοποιούνται οι κατάλληλες αλγεβρικές πράξεις μεταξύ των χωρικών επιπέδων, οι οποίες απορρέουν από την Εξ. 3 (Μυρωνίδης κ.α. 2007) προκειμένου να προκύψει η χωρική κατανομή του συντελεστή διάβρωσης z σε κατηγορίες διάβρωσης (Gavrilovic et al. 2006, Petraš et al. 2007) και η οποία αποτυπώνεται στο ακόλουθο Σχήμα 6:

9 ΥΔΡΟΤΕΧΝΙΚΑ (2017) 26: Σχήμα 6. Χάρτης κατανομής της υποβάθμισης σύμφωνα με το συντελεστή z Με βάση το παραπάνω σχήμα διαπιστώνουμε ότι η περιοχή έρευνας κυριαρχείται από ασθενή διάβρωση σε ποσοστό 96% ως αποτέλεσμα της καλής δασοκάλυψης και των ανθεκτικών στη διάβρωση πετρωμάτων. O παραπάνω χάρτης μπορεί περαιτέρω να χρησιμεύσει για την δημιουργία ενός σχεδίου ολοκληρωμένης διαχείρισης του κινδύνου διάβρωσης με βάση τις χρήσεις γης και το ρυθμό διάβρωσης (Myronidis et al. 2010) αλλά και για τον εντοπισμό των θέσεων ίδρυσης φραγμάτων ελέγχου των φερτών υλών (Myronidis and Fotakis 2015). Στη συνέχεια, υπολογίστηκε η τιμή της μέσης ετήσιας διάβρωσης στη λεκάνη απορροής, η οποία ανέρχεται σε m 3 /έτος, και το μέγεθος του συντελεστή στερεομεταφοράς R=0,55. Σημειώνεται, ότι στην διεθνή βιβλιογραφία έχουν υπολογιστεί τιμές του μέσου ετήσιου συντελεστή στερεομεταφοράς με το μοντέλο του Gavrilovic που κυμαίνονται από 0,26 (Globevnik et al., 2003) ως 0,760 (Minčev and Blinkov 2007). Τελικώς, το ποσό των φερτών υλικών τα οποία καταλήγουν στον ταμιευτήρα, με βάση την Εξ. 5, ανέρχονται περίπου σε m 3 /έτος. Συνεπώς, για περίοδο λειτουργίας 40 ετών, ο προβλεπόμενος νεκρός όγκος του ταμιευτήρα ανέρχεται περίπου σε m 3 που αντιστοιχούν με βάση το διάγραμμα ύψος φράγματος-χωρητικότητας-επιφάνειας ταμιευτήρα (Σχήμα 5) σε κατώτατη στάθμη υδροληψίας +73,0 m από την στάθμη της θάλασσας (Σχήμα. 3β). ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Ο σκοπός της εργασίας ήταν η παραγωγή καμπυλών στάθμης-χωρητικότητας ταμιευτήρα με ακρίβεια και ταχύτητα και στη συνέχεια ο προσδιορισμός της κατώτατης στάθμης υδροληψίας του ταμιευτήρα. Χρησιμοποιώντας το ψηφιακό μοντέλο εδάφους και τις προτεινόμενες τεχνικές GIS δημιουργήθηκε η σχετική καμπύλη, η οποία παρουσιάζει για ύψη φράγματος από m τις αντιστοιχούσες επιφάνειες κατάκλυσης και τους αποθηκευμένους όγκους ύδατος. Επιπρόσθετα, το γεω-χωρικό μοντέλο διάβρωσης του Gavrilovic κατέδειξε ότι για περίοδο λειτουργίας του ταμιευτήρα 40 ετών, ο νεκρός όγκος των φερτών υλικών ανέρχεται σε περίπου m 3 με αποτέλεσμα η κατώτατη στάθμη υδροληψίας να πρέπει να τοποθετηθεί στο υψόμετρο των +73 m. Τέλος, θα πρέπει να σημειωθεί ότι οι ίδιες τεχνικές είναι δυνατό να χρησιμοποιηθούν και σε ανάλογα δεδομένα μικρότερης κλίμακας προκειμένου να επιτευχθεί μεγαλύτερη ακρίβεια στην αναπαράσταση της σχετικής καμπύλης αλλά και σε μικρότερου μεγέθους φραγματικές κατασκευές, όπως τα χαμηλά χωμάτινα φράγματα κλπ. Τέτοιου είδους δεδομένα αποτελούν το ψηφιακό υψομετρικό μοντέλο (DΕM)

10 ΥΔΡΟΤΕΧΝΙΚΑ (2017) 26: του Οργανισμού Κτηματογράφησης και Χαρτογράφησης Ελλάδος (ΟΚΧΕ) με γεωμετρική και απόλυτη ακρίβεια 2,00m και 3,92m αντίστοιχα για επίπεδο εμπιστοσύνης 95% (Myronidis et al., 2016) ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παρούσα εργασία εκπονήθηκε κατά τη διάρκεια της αποστολής επιμόρφωσης του συγγραφέα μέσω του Erasmus+ στο National Institute of Hydrology and Water Management του Βουκουρεστίου μεταξύ 15-21/4/2015. Επιπρόσθετα, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους ανώνυμους κριτές για τα εποικοδομητικά τους σχόλια, τα οποία βοήθησαν να βελτιωθεί σημαντικά η παρούσα εργασία. Τέλος, μία αρχική εκδοχή αυτής της εργασίας παρουσιάστηκε στο 3 ο Κοινό Συνέδριο (13 ο της ΕΥΕ, 9 ο της ΕΕΔΥΠ και 1 ο του ΕΥΣ) «Ολοκληρωμένη Διαχείριση Υδατικών Πόρων στη Νέα Εποχή», Αθήνα, Δεκεμβρίου ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Κουτσόπουλος, Κ. και Ανδρουλακάκης, Ν Εφαρμογές του Λογισμικού ArcGIS 9x με απλά λόγια, Εκδόσεις Παπασωτηρίου, Μυρωνίδης, Δ., Εμμανουλούδης, Δ., Φωτάκης, Δ., Ιωάννου, Κ., Ρίγγος, Β. και Σιώτης, Γ Ποσοτική εκτίμηση υποβάθμισης σε ορεινές λεκάνες απορροής και μέτρα ελαχιστοποίησης των επιπτώσεων της. 13 ο Πανελλήνιο Δασολογικό Συνέδριο, Καστοριά, 7-10 Οκτωβρίου 2007, σελ Ξανθάκης, Μ Η μελέτη της διάβρωσης σε ορεινές λεκάνες απορροής με σύγχρονα τεχνολογικά εργαλεία. Διδακτορική διατριβή., Χαροκόπειο Πανεπιστήμιο Αθηνών. Chen, X., Zhao, J., Zhao, T., Lei, X. and Ni, G Effects of hydropower reservoir operation on natural flow regime and ecosystem. A case study of Xiaowan and Nuozhadu dams. Journal of Hydroelectric Engineering, 33(4): Chow, V.T Open Channel Hydraulics, New York: McGraw-Hill, Inc. De Vente, J. and Poesen, J Predicting soil erosion and sediment yield at the basin scale: Scale issues and semi-quantitative models. Earth-Science Reviews, 71: Directive 232, Oδηγία του Eυρωπαϊκού Κοινοβουλίου και του Συμβούλιου για τον καθορισμό πλαισίου προστασίας του εδάφους και την τροποποίηση της οδηγίας 2004/35/EΚ, σελ Emmanouloudis, D., Myronidis, D., Panilas, S., Efthimiou, G The role of sediments in the dynamics and preservation of the aquatic forest in the Nestos delta (N. Greece). IAHS Publ, 306: Gavrilovic, S Inzenjering o bujicn im tokovima I eroziji. Dept. Civ. Engrs, Belgrade Univ, Belgrade. Gavrilovic, S Torrents and erosion, in Serbia, Gradevinski kalendar 1976, Beograd, Serbia. Gavrilovic, Z., Stefanovic, M., Milojevic, M. and Cotric, J Erosion Potential Method An Important Support for Integrated Water Resource Management. International Conference on Water Observation and Information System for Decision Support, Ohrid, FYROM, Globevnik, L., Holjevic, D., Petkovsek, G. and Rubinic, J Applicability of the Gavrilovic method in erosion calculation using spatial data manipulation techniques. Proceedings of IUGO2003 symposium, Sapporo, Italy, 279: Goel, M.K., Jain, S.K. and Agarwal, P.K Assessment of sediment deposition rate in Bargi Reservoir using digital image processing, Hydrological Sciences-Joumal-des Sciences Hydrologiques, 47(2):

11 ΥΔΡΟΤΕΧΝΙΚΑ (2017) 26: Haghiabi, A.H., Slamian, S.S., Mohammadzadeh-Habili, J. and Mousavi, S.F Derivation οf Reservoir s Area-Capacity Equations Based on the Shape Factor. IJST, Transactions of Civil Engineering, 37(C1): Jain, S and Singh, P, Assessment of sedimentation in Bhakra Reservoir in the western Himalayan region using remotely sensed data. Hydrological Sciences-Journal-des Sciences Hydrologiques. 47(2): Kaveh, K., Hosseinjanzadeh, H. and Hosseini, K A new equation for calculation of reservoir's area-capacity curves. KSCE Journal of Civil Engineering 17(5): Lehner, B., Liermann, C.R., Revenga, C., Voeroesmarty, C., Fekete, B., Crouzet, P., Doell, P., Endejan, M., Frenken, K., Magome, J., Nilsson, C., Robertson, J.C., Roedel, R., Sindorf, N. and Wisser, D High-resolution mapping of the world's reservoirs and dams for sustainable river-flow management. Frontiers in Ecology and the Environment, 9, Liebe, J., Van de Giesen, N. and Andreini, M Estimation of small reservoir storage capacities in a semi-arid environment a case study in the Upper East Region of Ghana. Physics and Chemistry of the Earth, 30: Meigh, J The impact of small farm reservoirs on urban water supplies in Botswana. Natural Resources Forum, 19: Merritt, W.S., Letcher, R.A. and Jakeman, A.J A review of erosion and sediment transport models, Environmental Modelling & Software, 18: Minčev, Ι. and Blinkov, I GIS model for assessing water and sediment discharge based on the methodology of Gavrilović, International Conference Erosion and Torrent Control as a Factor in Sustainable River Basin Management, Sept. 2007, Belgrade, Myronidis, D. and Fotakis, D Utilizing AutoCAD 3D solid modeling tools for simplified designing of a small concrete gravity dam. International Journal of Sustainable Agricultural Management and Informatics, 1(4): Myronidis, D., Ioannou, D., Sapountzis, M. and Fotakis D Development of a sustainable plan to combat erosion for an island of the Mediterranean region. Fresenius Environmental Bulletin, 19(8b): Myronidis, D., Stathis, D. and Sapountzis, M Post-Evaluation of Flood Hazards Induced by Former Artificial Interventions along a Coastal Mediterranean Settlement, Journal of Hydrologic Engineering, (DOI /(ASCE)HE ), Petraš, J., Holjević, D. and Kunstek, D Implementation of GIS-technology in Gavrilović s method for estimation soil erosion production and sediment transport, International Conference Erosion and Torrent Control as a Factor in Sustainable River Basin Management, Belgrade, Sep 25-28, Steegen, A., Govers, G., Nachtergaele, J., Takken I., Beuselinck L. and Poesen, J Sediment export by water from an agricultural catchment in the Loam Belt of Central Belgium. Geomorphology 33: Tamene, L., Park, S.J., Dikau, R. and Vlek, P.L.G Reservoir siltation in the semi-arid highlands of northern Ethiopia: sediment yield catchment area relationship and a semiquantitative approach for predicting sediment yield, Earth Surf. Process. Landforms, 31: Tundisi, J.G., Goldemberg, J., Matsumura-Tundisi, T. and Saraiva A.C.F How many more dams in the Amazon?. Energy Policy, 74: Yang, Χ. and Lu, X.X Delineation of lakes and reservoirs in large river basins: An example of the Yangtze River Basin, China, Geomorphology, 190: Wilson, G.L. and Richards, J.M Procedural Documentation and Accuracy Assessment of Bathymetric Maps and Area/Capacity Tables for Small Reservoirs.: U.S. Geological Survey Scientific Investigations Report , 24 p.plus oversize figs.