ΔΙΕΥΘΕΤΗΣΗ ΟΡΕΙΝΩΝ ΥΔΑΤΩΝ Ι

Τμήμα Δασολογίας & Διαχείρισης Περιβάλλοντος & Φυσικών Πόρων Εργαστήριο Διευθέτησης Ορεινών Υδάτων και Διαχείρισης Κινδύνου Προπτυχιακό Πρόγραμμα Σπουδών ΔΙΕΥΘΕΤΗΣΗ ΟΡΕΙΝΩΝ ΥΔΑΤΩΝ Ι Κεφάλαιο 1ο Φ. Π. Μάρης Αναπλ. Καθηγητής

Χειμαρρικά Ρεύματα Δύο σπουδαιότερες υδρολογικές κατηγορίες ρευμάτων 1. Ποταμοί 2. Χείμαρροι (Ενδιάμεση κατηγορία χειμαρροπόταμοι)

Ποταμοί Ρέουν κατά κανόνα σε ευρείες κοιλάδες, Έχουν μεγάλη λεκάνη απορροής (μεγαλύτερη από 1500 ~ 2000 Km2), Έχουν πλατιά κοίτη, Παρουσιάζουν μεγάλη παροχή Q, με σταθερή σχετικά δίαιτα, Μικρή κλίση πυθμένα και Δημιουργούν παρατεταμένες πλημμύρες. Στη λεκάνη τους κυριαρχούν τα τμήματα με ημιπεδινή, λοφώδη και ημιορεινή διαμόρφωση. 3

Χείμαρροι Ρέουν σε πολύ μικρές κοιλάδες και σε χαράδρες, Έχουν μικρή λεκάνη απορροής (έκταση ορεινής λεκάνης έως 300Km2), Παρουσιάζουν έντονη κλίση λεκάνης απορροής, Στενή κοίτη με σημαντική κλίση πυθμένα, Μικρή σχετικά υδατοπαροχή Q, Ανώμαλη δίαιτα, Δημιουργούν συχνά αιφνίδιες και σύντομες πλημμύρες. Στην λεκάνη τους κυριαρχούν τα τμήματα με ημιορεινή, ορεινή και πολύ ορεινή διαμόρφωση. 4

Οι μεγάλες διακυμάνσεις της υδατοπαροχής που χαρακτηρίζουν τους χειμάρρους διαπιστώνεται και από το λόγο των μέσων υδάτων (Qm) προς τα πλημμυρικά ύδατα (Qmax). Ρεύμα Είδος Έκταση λεκάνης απορροής (Km2) Σχέση Qmax/Qm Thur Ποταμός 160,6 24 Erlentobel Χείμαρρος 1,7 220 5

Οι ποταμοί καθώς και οι Χείμαρροι μπορούν να μεταφέρουν στερεά υλικά (φερτές ύλες). Η τροφοδοσία των ποταμών σε φερτές ύλες γίνεται κυρίως από τους χειμάρρους που εκβάλλουν σ αυτούς, ενώ οι κοίτες των χειμάρρων τροφοδοτούνται από ολόκληρη την λεκάνη απορροής καθώς και από τα πρανή και τον πυθμένα της κοίτης τους. Γι αυτό, τα υλικά των κεντρικών κοιτών των ποταμών χαρακτηρίζονται ως ετερόχθονα, ενώ των χειμάρρων ως αυτόχθονα. 6

Ιδιότητες χειμάρρων Αιφνίδιες, έντονες, μικρής διάρκειας πλημμύρες, ενώ κατά τον λοιπό χρόνο, ελάχιστες έως μηδενικές παροχές και Απόσπαση, μεταφορά και απόθεση φερτών ύλών (ιδίως αδρομερών υλικών) εντός του χώρου δράσης τους. 7

Χειμαρρικά ή χειμαρρώδη καλούνται τα φυσικά ρεύματα (ορεινοί ποταμοί, χειμαρροπόταμοι, χείμαρροι) με έκταση λεκάνης απορροής έως 1500 ~ 2000Km2, τα οποία εμφανίζουν έντονη χειμαρρικότητα, κυρίως λόγω ανθρωπογενών επιδράσεων και άλλων διαταραχών στο φυσικό περιβάλλον του χώρου δράσης τους, η οποία εκφράζεται με την μεταφορά σημαντικής ποσότητας φερτών υλών και με την ανώμαλη δίαιτα του νερού. 8

Ως μικρά χειμαρρικά ή μικρά χειμαρρώδη ρεύματα χαρακτηρίζονται τα φυσικά ρεύματα με έκταση ορεινής λεκάνης απορροής έως 300Km2 περίπου, τα οποία αποτελούν τους συμβάλλοντες των χειμαρροποτάμων και ποταμών ή εμφανίζονται και ως αυτοτελείς μονάδες του υδρογραφικου δικτύου, παρουσιάζουν ιδιαίτερα ανώμαλη δίαιτα νερού και αποσπούν από τα ορεινά, μεταφέρουν και αποθέτουν στα πεδινά σχετικά άφθονες φερτές ύλες κατά κανόνα λόγω διαταραχής του φυσικού περιβάλλοντος από ανθρωπογενείες επιδράσεις. 9

Μικρά χειμαρρικά ρεύματα Χείμαρροι: Είναι μικρά χειμαρρικά ρεύματα με έντονη ανώμαλη διάιτα νερού και παραπυθμένια μεταφορά αδρομερών υλκών. Δημιουργούνται κυρίως στις ορεινές και πολύ ορεινές περιοχές, καθώς και σε χαμηλές ημιορεινές περιοχές, με ευπαθές γεωλογικό υπόθεμα και χαρακτηρίζονται από έντονα διαταραγμένο φυσικό περιβάλλον. Χέραδοι ή χείμαρροι λάβας: Είναι χείμαρροι των ορεινών περιοχών με έντονη κατά μάζες μεταφορά πολύ αδρομερών υλικών και ανώμαλη δίαιτα νερού. Ρύακες: Είναι μικρά χειμαρρικά ρεύματα με περιορισμένη μεταφορά λεπτόκοκκων υλικών και ανώμαλη δίαιτα νερού. Εμφανίζονται συνήθως στις λοφώδεις περιοχές με ανθεκτικό γεωλογικό υπόθεμα και σχετικά καλή φυτοκάλυψη (δάσος). 10

Συνεπώς οι χείμαρροι, χέραδοι και οι ρύακες αποτελούν χαρακτηριστικές φυσικές κατηγορίες των μικρών χειμαρρικών ρευμάτων, οι οποίες διαφέρουν μεταξύ τους μόνο ως προς την ένταση, το είδος και τον τρόπο μεταφοράς των φερτών υλών, ενώ εμφανίζουν κοινό το χαρακτηριστικό γνώρισμα της ανώμαλης δίαιτας του νερού. 11

Διάρθρωση χειμαρρικών ρευμάτων: Κάθε χειμαρρικό ρεύμα διαθέτει ένα χώρο χειμαρρικής δράσης (ή χειμαρρικό χώρο), στον οποίο εξελίσσονται τα φαινόμενα της υδαταπορροής και της διακίνησης (παραγωγής, μεταφοράς και απόθεσης) φερτών υλών. 12

Λεκάνη Απορροής (Συλλεκτήρια ή υδρολογική λεκάνη) Λεκάνη απορροής ονομάζεται η επιφάνεια της χέρσου που τροφοδοτεί ένα χειμαρρικό ρεύμα με νερά και φερτά υλικά. Η λεκάνη απορροής ενός ρεύματος από το υψηλότερο σημείο του χειμαρρικού χώρου μέχρι την εκβολή του στον τελικό αποδέκτη (ποταμό, λίμνη, θάλασσα) χαρακτηρίζεται ως συνολική. 13

14

15

16

Η συνολική λεκάνη απορροής διακρίνεται σε δύο τμήματα: Την ορεινή λεκάνη απορροής, η οποία περιλαμβάνει την ορεινή περιοχή του χειμαρρικού χώρου και Την πεδινή λεκάνη απορροής, η οποία εκτείνεται από την έξοδο του ρεύματος στην πεδινή περιοχή μέχρι την εκβολή του στον τελικό αποδέκτη. 17

Ριπίδιο Ριπίδιο ονομάζεται η πεδινή έκταση η οποία επηρεάζεται από το χειμαρρικό ρεύμα με την δράση του και ιδίως με την απόθεση φερτών υλικών. Τα μικρά ριπίδια ή οι κορυφές εκτεταμένων ριπιδίων που χαρακτηρίζονται από αδρομερή υλικά απόθεσης και χονδρόκοκκη συγκρότηση υλικών, χαρακτηρίζονται ως κώνοι πρόσχωσης ή απόθεσης. 18

Δέλτα Ως δέλτα χαρακτηρίζονται οι αποθέσεις, που σχηματίζουν χειμαρρικά ρεύματα εντός των λιμνών και των θαλασσών, στις θέσεις εκβολής τους. 19 Δέλτα Πηνειού Δέλτα Νείλου

20

Μικρά χειμαρρικά ρεύματα Ρεύματα των λοφωδών και ημιορεινών περιοχών (~ 1000m), Ρεύματα των ορεινών και πολύ ορεινών περιοχών (1001m 2000 m), Ρεύματα των αλπικών περιοχών (2001m 3000m) και Ρεύματα του αιώνιου χιονιού (> 3000m). (Η διάκριση γίνεται με βάση το μέγιστο χειμαρρικό υψόμετρο (Hr) το οποίο ορίζεται από την χωροσταθμική εκείνη, πάνω από την οποία περικλείεται περιοχή της λεκάνης απορροής ίσης με το 3 5 % της συνολικής λεκάνης). 21

Χώρος χειμαρρικής δράσης μικρών χειμαρρικών ρευμάτων Μικρά χειμαρρικά ρεύματα λοφωδών και ημιορεινών περιοχών: Ορεινή λεκάνη απορροής, Κοίτη αναμετακίνησης (διευρυμένη, κεντρική κοίτη που σχηματίζεται στη περιοχή του ριπιδίου. Διακοπτόμενες ή εναλλασσόμενες αποθέσεις οι οποίες αναμετακινούνται από τα ρέοντα ύδατα προκαλώντας πρανικές διαβρώσεις και έντονους μαιανδρισμούς. Δέλτα. 22

Μικρά χειμαρρικά ρεύματα ορεινών και αλπικών περιοχών: Ορεινή λεκάνη απορροής, Κοίτη εκκένωσης ή λαιμός, Κώνος πρόσχωσης ή απόθεσης, Κοίτη εκβολής και Δέλτα. 23

Μορφολογία των χειμαρρικών ρευμάτων Μορφομετρικά χαρακτηριστικά λεκανών απορροής Μορφομετρία ορεινών λεκανών απορροής 1. Έκταση της ορεινής λεκάνης (F, Km2), 2. Σχήμα ορεινής λεκάνης (επηρεάζει την ταχύτητα συγκέντρωση της υδαταπορροής. Στρογγυλόμορφες λεκάνες οδηγούν σε ταχεία συγκέντρωση του νερού και σε μεγαλύτερες υδαταπορροές), 24 Βαθμός Στρογγυλομορφίας FN: εμβαδόν λεκάνης (Km2) UN: μήκος περιμέτρου λεκάνης (Km) FN UN

3. Υψομετρία της ορεινής λεκάνης Μέγιστο υψόμετρο (Hmax m), Ελάχιστο υψόμετρο (Hmin, m), Μέσο υψόμετρο (Hm, m) Hm I H I i i Hm: Μέσο υψόμετρο λεκάνης (m) Ιi: μήκος χωροσταθμικής καμπύλης (km) i: αύξων αριθμός καμπύλης 25

4. Οι κλίσεις της ορεινής λεκάνης και της κεντρικής κοίτης. Μέση κλίση λεκάνης απορροής (m) J me H I F Jme: Μέση κλίση λεκάνης ως εφαπτομένη γωνίας ΔH: ισοδιάσταση χωροσταθμικών καμπυλών (Km) ΣΙ: άθροισμα των μηκών όλων των χωροσταθμικών καμπυλών της λεκάνης (Km) F: εμβαδόν επιφανείας της λεκάνης (Km2) 26

4. Οι κλίσεις της ορεινής λεκάνης και της κεντρικής κοίτης. Μέση κλίση κεντρικής κοίτης (m) J ms L J L s Jms: Μέση κλίση της κοίτης ως εφαπτομένη γωνίας L: Οριζόντιο μήκος τμήματος κοίτης με ορισμένη, σταθερή κλίση (m) Js: κλίση του παραπάνω τμήματος ως εφαπτομένη γωνίας 27

28

5. Η υψογραφική καμπύλη της ορεινής λεκάνης Γραφική παράσταση της σχέσης μεταξύ των υψομέτρων της λεκάνης και των επιφανειών, που αυτές καταλαμβάνουν στο χώρο της. Σχετική Υψομετρική Καμπύλη Λεκάνης Απορροής Χειμάρρου Αγ. Γεωργίου h/h 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Υψομετρικό Ολοκλήρωμα ΗΙ=0.39 0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 f/f 29

Μορφομετρία κινητών πυθμένων Συγκρότηση κινητών πυθμένων, φερτά υλικά Ως κινητοί χαρακτηρίζονται οι πυθμένες των κοιτών των χειμαρρικών ρευμάτων, που αποτελούνται από τεμάχια υλικών διαφόρου μεγέθους, τα οποία μετακινούνται από τα ρέοντα ύδατα, όταν η υδατοπαροχή γίνει σημαντική. Συγκρότηση κινητών πυθμένων: Ενδοπυθμένιο ή αρχικό ή βασικό στρώμα ή μίγμα, το οποίο περιέχει τεμάχια υλικών όλων των διαμέτρων, Καλυπτήριο στρώμα, το οποίο σχηματίζεται στην επιφάνεια του αρχικού πυθμένα και αποτελείται μόνο από τα αδρομερέστερα υλικά του αρχικού μίγματος. 30

ΔΟΥ Ι - Κεφάλαιο 1ο Συγκρότηση της κοίτης χειμαρρικού ρεύματος (Καλυπτήρια στρώματα) 31

Φερτές ύλες, ή φερτά υλικά ή στερεά υλικά Είναι τα διαφόρου μεγέθους υλικά, που συγκροτούν τους κινητούς πυθμένες των χειμαρρικών ρευμάτων, τα οποία παρασύρονται και μεταφέρονται από τα χειμαρρικά ύδατα προς τα κατάντη. Διάκριση φερτών υλών: Φυσικά υλικά, (λίθοι, χάλικες, άμμος, ίλυς, κορμοί, κορμοτεμάχια, πρέμνα, κλάδοι). Ανθρωπογενή υλικά, (λάστιχα, οικοδομικά υλικά, πλαστικά, κλπ). 32

Η μορφή των φυσικών κόκκων και των λίθων διαφόρων διαμέτρων, που συγκροτούν τα μίγματα φερτών υλών, περιγράφονται με τη βοήθεια δεικτών, οι οποίοι εκφράζουν τη σφαιρικότητα και τη στρογγυλότητα τους σε σύγκριση με αντίστοιχα σφαιρικά σωματίδια. Πρόκειται για δύο αδιάστατες παραμέτρους: Δείκτης σφαιρικότητας (sp) Δείκτης στρογγυλότητας (ατ) επιφάνεια σφαίρας ισοδύναμης σε όγκο επιφάνεια σωματιδίου μέση ακτίνα γωνιών σωματιδίου ακτίνα του μέγιστου εγγεγραμμένου κύκλου στο σωματίδιο Για τον προσδιορισμό των διαστάσεων των φερτών υλικών στα χειμαρρικά ρεύματα χρησιμοποιείται κατά κανόνα η ογκομετρική μέθοδος (δηλαδή η διάμετρος σφαίρας ισοδύναμης σε όγκο ως προς τεμάχιο) και με κόσκινο (για ΔΟΥάμμου Ι - Κεφάλαιο υλικά με διαστάσεις 33 κυρίως μεγέθους ).1ο

34

Λιθομετρική και κοκκομετρική σύνθεση κινητών πυθμένων Λιθομετρική και κοκκομετρική σύνθεση των μιγμάτων των κινητών πυθμένων των χειμαρρικών ρευμάτων, εκφράζεται με την καμπύλη της λιθομετρικής (κοκκομετρικής) κατανομής του μίγματος και παρέχει είτε το βάρος που αντιστοιχεί σε κάθε βαθμίδα διαμέτρου (προσαυξητική καμπύλη), είτε το βάρος του συνόλου των υλικών, που αντιστοιχούν σε κάθε βαθμίδα διαμέτρου (αθροιστική καμπύλη). 35

Τυπικές μορφές διαφόρων προσαυξητικών και των αντίστοιχων αθροιστικών καμπύλων της λιθοκατανομής 36

Χαρακτηριστικές Διάμετροι Οι διάμετροι που περιγράφουν τις καμπύλες της λιθοκοκκομετρικής κατανομής είναι οι εξής: Μέγιστη διάμετρος του μίγματος (dmax), Ελάχιστη διάμετρος του μίγματος (dmin), Η μέση διάμετρος του μίγματος, δηλαδή ο αριθμητικός μέσος όρος d όλων των διαμέτρων ( ), Η κεντρική διάμετρος ή διάμετρος του μέσου βάρους (d50), η οποία αντιστοιχεί στο 50% του συνολικού βάρους του μίγματος, Η διάμετρος ορισμένου βάρους (dn), η οποία αντιστοιχεί σε ορισμένο εκάστοτε ποσοστό βάρους (π.χ. d90 χαρακτηρίζει τη συμπεριφορά των μιγμάτων στην περίπτωση της υποσκαφής φραγμάτων και αναφέρεται στα 90% του βάρους του μίγματος και Η αντιπροσωπευτική ή καθοριστική διάμετρος (dm ή ds). 37

Έντυπο για την απλή γραφική παράσταση της λιθομετρικής συγκρότησης κινητού 38 πυθμένα

Έντυπο για ημιλογαριθμική γραφική παράσταση της λιθομετρικής συγκρότησης 39 κινητού πυθμένα

Προσδιοριστικές διάμετροι φυσικών φερτών υλών Ως προσδιοριστικές χαρακτηρίζονται οι διάμετροι των φυσικών φερτών υλών που εκφράζουν την συμπεριφορά των διαφόρων μιγμάτων υλικών σε δεδομένα υδραυλικά γεγονότα (στερεομεταφορά, υποσκαφή των κοιτών, κλπ.). Κατά τις διευθετήσεις ποταμών και χειμάρρων χρησιμοποιείται κατά κανόνα η αντιπροσωπευτική ή καθοριστική διάμετρος dm, η οποία κατά τον Meyer Petter προσδιορίζεται με τη σχέση: dm d Δp 40 100 d: διάμετρος διαφόρων υλικών του μίγματος (m) Δp: βάρος της ποσότητας των υλικών του μίγματος σε κάθε διάμετρο

Ο υπολογισμός της αντιπροσωπευτικής διαμέτρου κυμαίνεται μεταξύ εκείνων των διαμέτρων d50 και d60. Ο προσδιορισμός της χαρακτηριστικής διαμέτρου γίνεται συνήθως γραφικά με τη βοήθεια της κατακόρυφης η οποία διαχωρίζει την καμπύλη κατανομής σε δύο ίσες επιφάνειες (Ανάλογα με το αντικείμενο μπορούν να χρησιμοποιούνται και άλλες προσδιοριστικές διάμετροι, όπως π.χ. d30, d50, d90, κλπ.). 41

Λιθοκοκοδιάμετροι του κινητού πυθμένα σε διάφορες θέσεις του χειμάρρου Κόσυνθου (Ξάνθη) 42

Υδρογραφικά δίκτυα ή δίκτυα απορροής ή στράγγισης στις ορεινές λεκάνες απορροής. Ως υδρογραφικό δίκτυο ή δίκτυο απορροής ή στράγγισης χαρακτηρίζεται το σύνολο των χαραδρώσεων, με τις οποίες στραγγίζεται η επιφάνεια μιας λεκάνης απορροής. Η ανάπτυξη ενός τέτοιου δικτύου εξαρτάται από: 1. Τα κατακρημνίσματα (μέγεθος, συχνότητα, ραγδαιότητα), 2. τη φύση, τη διεύθυνση και την κλίση των πετρωμάτων, 3. την κλίση των κλιτύων, 4. τεκτονικά αίτια (ρήγματα) και 5. την πρόσφατη γεωμορφολογική ιστορία της λεκάνης απορροής. 43

Μορφές δικτύων στράγγισης 1. Δενδροειδείς μορφές: Ακανόνιστες διακλαδώσεις με ποικίλες διευθύνσεις με γωνίες μικρότερες από 90ο. Αναπτύσσονται συνήθως σε πετρώματα που παρουσιάζουν παρόμοια διαβρωσιμότητα. 2. Δικτυωτές μορφές: Ρεύματα σχεδόν παράλληλα μεταξύ τους, διακλαδώσεις που σχηματίζουν με τα πρώτα σχεδόν ορθές γωνίες. Εξαρτώνται από τεκτονικές αιτίες. Δικτυωτός, ορθογώνιος τύπος, Γωνιώδης τύπος. 3. Παράλληλες μορφές: Κύριοι κλάδοι παράλληλοι μεταξύ τους και μικρότεροι συνδέονται με τους κύριους υπό οξεία γωνία. 44

Αρίθμηση αγωγών στα υδρογραφικά δίκτυα Οι διάφοροι αγωγοί των υδρογραφικών δικτύων διακρίνονται σε τάξεις ανάλογα με το μέγεθος, τη θέση στο χώρο, αλλά και τη σημασία τους. Η τάξη εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, όπως: Ο αριθμός των φυσικών αγωγών που υπάρχουν, Η έκταση της λεκάνης, που αποστραγγίζει κάθε φυσικός αγωγός. 45

Συστήματα εκτίμησης της τάξης των αγωγών στα υδρογραφικά δίκτυα 1. Αρίθμηση κατά Horton 46

2. Αρίθμηση κατά Strahler 47

3. Αρίθμηση κατά Shreve 48

4. Αρίθμηση κατά Scheidegger 49

Υδρογραφικά χαρακτηριστικά ορεινών λεκανών απορροής Τάξη κλάδου n: Δηλώνει την ιεραρχία του κλάδου μέσα στο υδρογραφικό δίκτυο (n = 1,2,3,...,ν, αντίστοιχα για ρεύματα πρώτης, δεύτερης, τρίτης, νιοστής τάξης, κλπ.). Εμβαδόν Fn: Εμβαδόν λεκάνης απορροής ή των επιμέρους υπολεκανών. Αριθμός κλάδων Nn τάξης n: παρέχει το σύνολο ρευμάτων της τάξης n, που παρέχουν μέσα σε μια λεκάνη, π.χ. N2=3, N1=7. Συνολικό μήκος Ln των κλάδων τάξης n: Παρέχει το συνολικό μήκος των ρευμάτων (σε km) μιας συγκεκριμένης τάξης n στη λεκάνη απορροής του ρεύματος. Π.χ. Μήκος L1 αντιστοιχεί στο άθροισμα των μηκών των ρευμάτων πρώτης τάξης. Μέσο μήκος Ln κλάδων τάξης n (Km): δίνεται από τη σχέση 50 Ln Ln Nn

Συνολικός αριθμός ΣΝ των κλάδων σε λεκάνη τάξης n: παρέχει το συνολικό αριθμό ρευμάτων σε λεκάνη τάξης n Συνολικό μήκος (ΣL)n σε λεκάνη τάξης n: Δίνεται από τη σχέση: L n L1 L 2 L3... L n Συντελεστής διακλάδωσης (Rb): είναι ο λόγος του αριθμού των ρευμάτων μιας τάξης n προς τον αριθμό των ρευμάτων της αμέσως επόμενης τάξης (n+1). Δίνεται από τη σχέση: Nn Rb N n 1 Λόγος του μήκους RL των κλάδων: είναι ο λόγος του μέσου εμβαδού των λεκανών μιας τάξης n προς το μέσο εμβαδόν των λεκανών της προηγούμενης τάξης (n-1). Ως μέσο εμβαδόν λεκανών της τάξης n ορίζεται ο μέσος όρος των εμβαδών όλων των λεκανών τάξης n. Δίνεται από τη σχέση: RL 51 L L n n 1

Λόγος του εμβαδού RF των λεκανών: Δίνεται από τη σχέση: Fn RF F n 1 Συχνότητα Εn του υδρογραφικού δικτύου: είναι ο λόγος του συνολικού αριθμού των ρευμάτων σε λεκάνη τάξης n προς το εμβαδό της παραπάνω λεκάνης. Δίνεται από τη σχέση: En N n Fn (Km-2) Πυκνότητα Dn του υδρογραφικού δικτύου: Είναι ο λόγος μεταξύ του συνολικού μήκους των κλάδων σε λεκάνη τάξης n προς το εμβαδόν της λεκάνης Fn. Εκφράζει το μήκος του υδρογραφικού δικτύου στη μονάδα επιφάνειας της λεκάνης. Δίνεται από τη σχέση: Ln Dn (Km-1) Fn 52

Νόμοι του Horton 1. Ο αριθμός των κλάδων (1ος νόμος του Horton) Nn R b Nn: K: n: Rb: ( k n ) Ο αριθμος ρευμάτων τάξης n η μεγαλύτερη τάξη η τάξη, της οποίας ζητείται ο αριθμός των ρευμάτων ο λόγος διακλάδωσης n Nn Rb N n 1 53

Νόμοι του Horton 2. Το μήκος των κλάδων (2ος νόμος του Horton) L Ln: L1: n: RL: n L1 R L (n 1) Το μέσο μήκος των κλάδων τάξης n Το μέσο μήκος των κλάδων πρώτης τάξης η τάξη, της οποίας ζητείται η μέση αθροιστική συχνότητα ο λόγος του μήκους των κλάδων RL 54 L L n n 1

Νόμοι του Horton 3. Το εμβαδόν των λεκανών απορροής (3ος νόμος του Horton) F n F 1 R F ( n 1 ) Όπου Fn: το μέσο εμβαδόν των λεκανών τάξης n Fn Fn Nn F1: το μέσο εμβαδόν των λεκανών πρώτης τάξης Fn RF F( n 1) 55

Χειμαρρική διαδικασία Χειμαρρικό Περιβάλλον Η εμφάνιση χειμαρρικών φαινομένων στο χώρο των χειμαρρικών ρευμάτων, απαιτεί τη δράση ενός κατάλληλου χειμαρρικού περιβάλλοντος, το οποίο καθορίζεται από την συνδυασμένη δράση τεσσάρων βασικών παραγόντων (χειμαρρικοί παράγοντες), οι οποίοι είναι: Το κλίμα, Η βλάστηση, Το γεωλογικό υπόθεμα και Το ανάγλυφο. Συγκεκριμένος συνδυασμός των παραπάνω παραγόντων δημιουργεί ορισμένο τύπο χειμαρρικού περιβάλλοντος, με αποτέλεσμα την εμφάνιση συγκεκριμένων χειμαρρικών φαινομένων. Το είδος, ο συνδυασμός και η έκταση των φαινομένων, προσδίνουν στα χειμαρρικά ρεύματα μια συγκεκριμένη χειμαρρική φυσιογνωμία. 56

Υδρολογικά χειμαρρικά φαινόμενα Τα υδρολογικά αίτια της χειμαρρικής δράσης είναι κυρίως κλιματικής φύσεως. Η συχνότητα, η διάρκεια και η ένταση των βροχοπτώσεων και χιονοπτώσεων καθώς και η πορεία και το μέγεθος των θερμοκρασιών που επικρατούν στον χώρο του κάθε ρεύματος είναι οι παράγοντες που προσδιορίζουν τη γενική μορφή της δίαιτας των χειμαρρικών ρευμάτων. Η ποσότητα του όμβριου νερού (κατακρημνισμάτων) που φθάνει στην επιφάνεια των λεκανών υφίσταται αρχικά, σημαντικές απώλειες από εξατμισιδιαπνοή και διείσδυση (ή κατείσδυση) στο έδαφος. Η εξατμισιδιαπνοή εξαρτάται από τις κλιματικές συνθήκες της περιοχής, ενώ η διείσδυση καθορίζεται από τη φύση του γεωλογικού υποθέματος. Και στις δύο περιπτώσεις η ύπαρξη βλάστησης και ιδίως του δάσους, δρα ευνοϊκά. 57

Η ποσότητα του νερού που απορρέει προς τα κατάντη, αποτελεί το υπόλοιπο μετά την αφαίρεση των δύο αυτών απωλειών. Ο τρόπος όμως της απορροής εξαρτάται από τα γνωρίσματα της ορεινής λεκάνης απορροής (σχήμα, κλίσεις, υδρογραφικό δίκτυο κτλ.) ως εξής: Όσο αυξάνονται οι υψομετρικές διαφορές και οι επικρατούσες κλίσεις στις λεκάνες, τόσο επιταχύνεται η συγκέντρωση μεγάλων ποσοτήτων νερού στην κεντρική κοίτη του ρεύματος και έτσι τόσο πιο συχνές, αιφνίδιες και έντονες γίνονται οι πλημμύρες. Αντίθετα, η παρουσία βλάστησης και ιδίως του δάσους, αναγκάζει τα νερά να απορρέουν αργά και δια μέσου του εδάφους, γεγονός που εμποδίζει την αιφνίδια συγκέντρωση πολύ μεγάλων υδρομαζών και απαλύνει τις πλημμυρικές απορροές. Επίσης το δάσος βελτιώνει την δίαιτα των πηγών και προκαλεί αύξηση των χαμηλών υδάτων των ρευμάτων, περιορίζοντας έτσι τις περιπτώσεις λειψυδρίας. 58

Χειμαρρικά φαινόμενα διακίνησης στερεών υλικών Δυναμική ενέργεια ή ενέργεια θέσης που κατέχει η υδρομάζα: ΕΔ m g h Μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια: Όπου: Ε: Εκ : m: g: h: U: 1 ΕΚ m u 2 2 Ενέργεια θέσης ή δυναμική ενέργεια (joule) Κινητική ενέργεια (joule) Μάζα του νερού (Kg) Επιτάχυνση της βαρύτητας (9,81m2/s) Ύψος (βάθος) νερού (m) Ταχύτητα κίνησης του νερού (m) 59

Επομένως το μέγεθος της δυναμικής ενέργειας των απορρέοντων υδάτων, εξαρτάται από τη διαθέσιμη ποσότητα του νερού και επομένως από το κλίμα, το οποίο όμως επηρεάζεται ουσιαστικά από τις υψομετρικές συνθήκες που επικρατούν στην ορεινή λεκάνη απορροής. Ο μετασχηματισμός της δυναμικής ενέργειας του νερού σε κινητική ενέργεια εξαρτάται επίσης από την ταχύτητα της κίνησης, την τραχύτητα της ορεινής λεκάνης (υφιστάμενα εμπόδια στη ροή) καθώς και τις επικρατούσες κλίσεις. Στους φυσικούς αγωγούς η ταχύτητα ροής του νερού δίνεται από τον παρακάτω τύπο των Manning Strickler: U k R 2 3 J 1 2 K: Συντελεστής τραχύτητας της κοίτης R: υδραυλική ακτίνα (m) J: κλίση πυθμένα κοίτης ως εφαπτομένη γωνίας 60

Βασικοί Παράγοντες Χειμαρρικότητας Κλίμα: Είναι ο φορέας ενέργειας, ο οποίος στην περίπτωση της παραγωγής και μεταφοράς υλικού δρα ως παράγοντας επίθεσης (διάβρωσης). Γεωλογικό υπόθεμα: Διαμορφώνει τις εξάρσεις στο χειμαρρικό χώρο και αποτελεί το αδρανές υπόβαθρο, επί του οποίου εκδηλώνεται η δράση του φορέα ενέργειας. Ανάγλυφο: Ο ρόλος του είναι ρυθμιστικός, διότι καθορίζει την ένταση, με την οποία δρα ο φορέας ενέργειας (κλίμα). Βλάστηση: Παρεμβάλλεται μεταξύ του φορέα ενέργειας και του αδρανούς υποβάθρου (γεωλογικού υποθέματος), δρα ανασταλτικά ή αμβλυντικά στην επενέργεια του πρώτου επί του δεύτερου. 61

Το είδος, ο συνδυασμός, η έκταση και η ένταση των χειμαρρικών φαινομένων, που δημιουργούνται στο χώρο των χειμαρρικών ρευμάτων, καθορίζονται από το συνδυασμό και την ένταση δράσης των τριών βασικών παραγόντων (κλίματος, γεωλογικού υποθέματος και αναγλύφου). Η ύπαρξη βλάστησης και ιδίως υδρονομικού δάσους αποτρέπει ή μεταβάλλει (αμβλύνει) την ένταση και την έκταση των φαινομένων αυτών. Δεν μπορεί όμως να επηρεάσει το είδος και το συνδυασμό των χειμαρρικών φαινομένων, που δημιουργούνται από τη δράση των παραπάνω τριών παραγόντων. 62

Έμμεσοι παράγοντες χειμαρρικότητας Η δημιουργία χειμαρρικών φαινομένων (γεωλισθήσεις, γεωκατακρημνίσεις) σε θέσεις που θεωρούνται σταθερές, οφείλονται σε άλλα αίτια, γνωστά ως έμμεσοι παράγοντες χειμαρρικότητας. Τέτοιοι παράγοντες είναι οι εξής: 1. Ορογενετικές κινήσεις, 2. Οι ενδογενείς δυνάμεις, 3. Οι εναλλαγές φόρτισης, 4. Οι σεισμοί και 5. Ο άνθρωπος. 63

Χειμαρρικός τύπος, Στάδια χειμαρρικότητας Χειμαρρικός τύπος (Θεωρία του καθηγητή Δ. Κωτούλα) Το χειμαρρικό περιβάλλον των λεκανών απορροής προσδιορίζεται από τον συνδυασμό των τριών βασικών παραγόντων χειμαρρικότητας. 1. Κλίμα, 2. Ανάγλυφο και 3. Γεωλογικό υπόθεμα Κάθε χειμαρρικό περιβάλλον, που δρα σε ορεινή λεκάνη απορροής, στην οποία δεν υπάρχει βλάστηση (δάσος), προκαλεί την ανάπτυξη συγκεκριμένων χειμαρρικών φαινομένων (είδος, μορφή, ένταση και έκταση) και δημιουργεί ορισμένη χειμαρρικότητα. Εαν στην ορεινή λεκάνη υφίσταται προστατευτικός φυτομανδύας και ιδίως δάσος, τότε επέρχεται μείωση της έκτασης και άμβλυνση της έντασης των χειμαρρικών φαινομένων. Πιθανή καταστροφή του φυτομανδύα, μπορεί να οδηγήσει σε επανεμφάνιση των χειμαρρικών φαινομένων. 64

Δυνατή χειμαρρικότητα, δυνατός χειμαρρικός τύπος Δυνατή χειμαρρικότητα: Είναι εκείνη η χειμαρρική κατάσταση, κατά την οποία αναπτύσσεται στο χειμαρρικό χώρο και ιδίως στην ορεινή λεκάνη απορροής το μέγιστο δυνατό των χειμαρρικών φαινομένων σε είδος, ένταση, έκταση και συνδυασμό. Επομένως οφείλεται στη δράση ενός χειμαρρικού περιβάλλοντος χωρίς την ύπαρξη βλάστησης και ιδίως δάσους. Δυνατός χειμαρρικός τύπος: Χαρακτηρίζεται κάθε σύνολο χειμαρρικών ρευμάτων και ιδίως ορεινών λεκανών απορροής με την αυτή δυνατή χειμαρρικότητα (ή με το αυτό χειμαρρικό περιβάλλον), η οποία περιγράφεται από την εμφάνιση συγκεκριμένων χειμαρρικών φαινομένων σε είδος, ένταση, έκταση και συνδυασμό. 65

Στάδια και εξέλιξη της χειμαρρικότητας Διακρίνονται 4 κύρια χειμαρρικά στάδια εξέλιξης των χειμαρρικών ρευμάτων: 1. Στάδιο της φυσικής ή κανονικής χειμαρρικότητας: τα ρεύματα του χειμαρρικού τύπου βρίσκονται κάτω από πλήρη φυσική φυτοκάλυψη χωρίς να έχουν υποστεί καμιά ανθρωπογενή επίδραση, γι αυτό και δέχονται την μέγιστη δυνατή προστατευτική και υδρολογική επίδραση της βλάστησης. Τα χειμαρρικά φαινόμενα είναι τα ελάχιστα δυνατά. 2. Στάδιο της δυνατής (μέγιστης) χειμαρρικότητας: Λόγω της πλήρους καταστροφής ή πολύ μεγάλης υποβάθμισης του φυσικού φυτοκαλύμματος και λόγω ανθρωπογενών επεμβάσεων, εμφανίζεται το μέγιστο δυνατό των χειμαρρικών φαινομένων σε είδος, ένταση, έκταση και συνδυασμό. 66

Διακρίνονται 4 κύρια χειμαρρικά στάδια εξέλιξης των χειμαρρικών ρευμάτων: 3. Στάδιο της ελεγχόμενης χειμαρρικότητας: Προκύπτει μετά από την εκτέλεση ορεινών υδρονομικών έργων (τεχνικών, φυτοτεχνικών, αγροτεχνικών) στο χειμαρρικό χώρο, οπότε επιτυγχάνεται ανάλογος έλεγχος των χειμαρρικών φαινομένων (ανθρωπογενές στάδιο χειμαρρικότητας). 4. Μεταβατικά στάδια χειμαρρικότητας: Παρεμβάλλονται μεταξύ των παραπάνω τριών σταδίων εξέλιξης (διαδοχές) ως εξής: Στάδιο 1 προς 2: Αποτελεί τη συνηθέστερη περίπτωση. Εμφανίζεται μετά από μερική καταστροφή του φυσικού φυτομανδύα από διάφορα αίτια, κυρίως ανθρωπογενή. 2 προς 1: είναι σπανιότερο. Εμφανίζεται μετά την παύση των αιτιών, που προκαλούν την καταστροφή του φυσικού φυτομανδύα οπότε και έχουμε επαναδημιουργία του. Στάδιο 2 προς 3 και 1 προς 3: εμφανίζεται στην περίπτωση τεχνικής και φυτοκομικής επέμβασης. Στάδιο 3 προς 2: εμφανίζεται μετά από καταστροφή μερική ή ολική των έργων διευθέτησης. 67

Χειμαρρικοί σχηματισμοί Οι δυνατοί χειμαρρικοί τύποι (χειμαρρικά περιβάλλοντα) διακρίνονται ανάλογα με το γεωλογικό υπόθεμα των ορεινών λεκανών σε: 1. Αμιγείς: όταν ολόκληρη η ορεινή λεκάνη απορροής συγκροτείται από το ίδιο χειμαρρικό πετρολογικό σχηματισμό. 2. Μικτούς: όταν η ορεινή λεκάνη συγκροτείται από περισσότερα είδη πετρολογικών σχηματισμών με έκταση η οποία υπερβαίνει το 10 ~ 15 % της επιφάνειας της ορεινής λεκάνης απορροής. 68

Χειμαρρικά όρια Η κατά χώρο κατανομή των δυνατών χειμαρρικών τύπων καθορίζεται με βάση τα εξής κύρια χειμαρρικά όρια: Στάθμη της θάλασσας, Όριο της πλήρους επίδρασης του δάσους (περίπου 1000m υψόμετρο για τη χώρα μας), Το φυσικό δασοόριο, δηλαδή το μέγιστο υψόμετρο που φύονται δάσος (για τη μεσευρωπαϊκή και παραμεσόγειο περιοχή 1800 ~ 2000m), Το όριο του αιώνιου χιονιού (για τις ευρωπαϊκές συνθήκες 3000 ~ 3200m, δεν εμφανίζεται στον ελλαδικό χώρο). 69

Κύριες χειμαρρικές ζώνες, Χειμαρρικά χωροδιαστήματα Τα χειμαρρικά όρια καθορίζουν τα εξής χειμαρρικά χωροδιαστήματα: 1. Χειμαρρική ζώνη Ι (πλήρους επίδρασης του δάσους): έως 1000m. Η παρουσία δάσους αποτρέπει τα σχετικά ήπια χειμαρρικά φαινόμενα και ασκεί τη μέγιστη δυνατή υδρολογική δράση. 2. Χειμαρρική ζώνη ΙΙ (μερικής επίδρασης του δάσους): 1000 ~ 2000m. Το δάσος αποτρέπει μόνο τα εκτατικά, όχι όμως και τα εντατικά χειμαρρικά φαινόμενα που εμφανίζονται. 3. Χειμαρρική ζώνη ΙΙΙ (των αλπικών περιοχών): 2000 ~ 3000m. Λόγω της έλλειψης δάσους το κλίμα ασκεί άμεση, ισχυρότατη επίδραση επί του γεωλογικού υποθέματος, δημιουργώντας ισχυρά χειμαρρικά φαινόμενα. 4. Χειμαρρική ζώνη IV του αιώνιου χιονιού (υπερθαλάσσιο ύψος άνω των 3000m): Λόγω της ύπαρξης μόνιμου χιονοστρώματος το κλίμα δεν επιδρά άμεσα στο γεωλογικό υπόθεμα. Η κίνηση του χιονοστρώματος προκαλεί όμως διάβρωση (αλλαγή της μορφολογίας του αναγλύφου). 70

71

Με βάση την ανάπτυξη των διαφόρων τμημάτων των χειμαρρικών ρευμάτων εντός τεσσάρων χειμαρρικών ζωνών, διακρίνονται οι χειμαρρικοί τύποι ως εξής: Πλήρεις ή μη πλήρεις: Ανάλογα με το αν το κατώτερο τμήμα τους αρχίζει ή όχι από υψόμετρο 200 ~ 250 m και Σαφείς ή ασαφείς: Ανάλογα με τη θέση, στην οποία καταλήγει το ανώτερο τμήμα τους εντός της χειμαρρικής ζώνης (του χωροδιαστήματος 72

Πλήρη, μη πλήρη, σαφή και ασαφή χειμαρρικά ρεύματα με βάση την κατά χώρο ανάπτυξη της μηκοτομής τους 73

Στάδια εξέλιξης των ορεινών λεκανών απορροής Διακρίνονται τρία στάδια εξέλιξης των ορεινών λεκανών απορροής των χειμαρρικών ρευμάτων 1. Στάδιο νεότητος 2. Στάδιο ωριμότητας 3. Στάδιο γήρατος Στάδια μορφολογικής εξέλιξης (υποβάθμισης) των λεκανών απορροής (Derrua, 1958) 74

Στάδια μορφολογικής εξέλιξης (υποβάθμισης) των μηκοτομών των ρευμάτων (Wagner, 1960) 75

Μηκοτομή χειμαρρικών ρευμάτων Μηκοτομή Κλάδου Ι 350 330 310 290 270 Ύψη (m) 250 230 210 190 170 150 130 110 90 70 Χ. Θέση (m) 76 8000 7500 7000 6500 6000 5500 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 50

Στάδιο Νεότητας: Το ανάγλυφο παρουσιάζει έντονες εξάρσεις και ισχυρές κλίσεις, εμφανίζονται ισχυρές αξονικές διαβρώσεις της κύριας κοίτης και των χαραδρώσεων. Στις κλιτύες εμφανίζονται έντονες γεωλισθήσεις και γεωκατακρημνίσεις. Οι πυθμένες των κεντρικών κοιτών αποτελούνται από ογκώδη υλικά, το υδρογραφικό δίκτυο των λεκανών είναι ασαφές. Στάδιο Ωριμότητας: Οι εξάρσεις γίνονται λιγότερο έντονες, οι κλίσεις της κεντρικής κοίτης και των συμβαλλόντων γίνονται προοδευτικά μικρότερες, η συρτική δύναμη του νερού μειώνεται, η ένταση των αξονικών διαβρώσεων περιορίζεται, οι δε κλίσεις των κλιτύων γίνονται ηπιότερες. Το ανάγλυφο αποκτά κυματοειδή μορφή, ο πυθμένας της κύριας κοίτης και των δευτερευουσών χαραδρών πλαταίνει και διαμορφώνεται κινητός. Υδρογραφικό δίκτυο αποκτά σαφή και εκφρασμένη ιεράρχηση από άποψη διακλαδώσεων. Στάδιο γήρατος: Κλίσεις κλιτύων και κοιτών μειώνονται, ανάγλυφο καθίσταται ήπιο. Εξάρσεις μικρού ύψους και χαμηλής διαμόρφωσης, γόνιμο έδαφος. Κοίτες αβαθείς και ευρείες με πυθμένες πλούσιους σε λεπτόκοκκα φερτά υλικά που κινούνται με αιώρηση. 77

Η δράση των χειμαρρικών ρευμάτων Ζημιογόνα δράση: Εξαρτάται από το μέγεθος και τη χειμαρρικότητα των ρευμάτων, την οικονομική και κοινωνική ανάπτυξη της περιοχής που διαρρέουν. Διακρίνονται: Ζημιές που οφείλονται σε πλημμύρες και σε μεταφορά φερτών υλών Ζημιές που προέρχονται από την έλλειψη νερού π.χ. Ανομβρία, αύξηση της ζήτησης και μη ορθολογική χρήση του νερού. 78

79

80

81

Χειμαρρικό πρόβλημα της Ελλάδας Ελληνικός χώρος: Πολύπλοκος οριζόντιος και κατακόρυφος διαμελισμός Ανάγλυφο: Παρουσιάζει έντονο ορεινό χαρακτήρα Κλίμα: Ξηρασία με υψηλές θερμοκρασίες κατά το θέρος και σημαντική ηλιοφάνεια και χρονική και τοπική ανισοκατανομή των κατακρημνισμάτων Γεωυπόθεμα: Επικρατούν σχηματισμοί ευδιάβρωτοι Βλάστηση: Ευνοϊκές συνθήκες, χαμηλό ποσοστό δάσωσης, δεν εκπληρώνουν την υδρονομική τους δράση 82

Κατανομή βαθμίδων υψομέτρου στον ελλαδικό χώρο 83

Διακύμανση διαφόρων κλιματικών παραγόντων στην Ελλάδα σε συνάρτηση με το υπερθαλάσσιο ύψος 84

Κατανομή των βαθμίδων ετήσιου ύψους βροχής στον Ελλαδικό χώρο Κατανομή των χειμαρρικών περολογικών σχηματισμών στην Ελλάδα 85

Συνθήκες που ευνοούν την ανάπτυξη πολλών χειμαρρικών ρευμάτων με τα παρακάτω χαρακτηριστικά: Ανώμαλη δίαιτα νερού (αιφνίδιες, μεγάλες υδατοπαροχές μετά από ραγδαίες βροχοπτώσεις, ελάχιστες υδατοπαροχές έως και πλήρη έλλειψη ροής) Έντονη μεταφορά φερτών υλών (στερεομεταφορά, αιωρομεταφορά, μαζική μεταφορά) λόγω της δημιουργίας πληθώρας έντονων εστιών παραγωγής υλικών) 86

Συνέπειες Υποβάθμιση ορεινών λεκανών απορροής, Πρόσχωση πεδινών κοιτών ρευμάτων, Αχρήστευση αντιπλημμυρικών και αρδευτικών έργων, Καταστρέφονται έργα υποδομής (δρόμοι, γέφυρες, σιδηροδρομικών γραμμών), Μετατόπιση κοιτών ποταμών και χειμάρρων, Πρόσχωση λιμανιών και παραλίων, προώθηση προς το εσωτερικό των θαλασσών των δέλτα των ποταμών και των χειμάρρων, Ρύπανση επιφανειακών, υπόγειων και θαλάσσιων νερών και Διατάραξη της ισορροπίας των οικοσυστημάτων. 87