ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ Δ.Π.Μ.Σ. "ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ" ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΔΑΤΙΚΏΝ ΠΟΡΩΝ Συνδυασμένη διαχείριση επιφανειακών και υπόγειων υδατικών πόρων με ποσοτικά, ποιοτικά και οικονομικά κριτήρια, Γεωπόνος Περιβάλλον και Ανάπτυξη Αθήνα, Ιούνιος 2015 Διδάσκοντες: Α. Ευστρατιάδης, Δ. Κουτσογιάννης
Περιεχόμενα 1. Εισαγωγή... 2 2. Εύρεση οικονομικά βέλτιστης κατανομής της απόληψης (Ερωτήματα 1 και 2)... 2 3. Κρίσιμο Απόθεμα και Απόθεμα Συναγερμού της λίμνης (Ερωτήματα 3 και 4)... 4 4. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 7 1
1. Εισαγωγή Αστική περιοχή και η παρακείμενη γεωργική έκταση υδροδοτούνται από υπόγεια νερά μέσω γεωτρήσεων και από επιφανειακά νερά που συγκεντρώνονται σε φυσική λίμνη. Οι ετήσιες αρδευτικές ανάγκες, οι οποίες συγκεντρώνονται στο πεντάμηνο Μάιος- Σεπτέμβριος, είναι 50 hm 3 και κατανέμονται σε 10 hm 3 για πολυετείς (δενδρώδεις) καλλιέργειες και 40 hm 3 για ετήσιες καλλιέργειες. Οι ετήσιες υδρευτικές ανάγκες είναι 20 hm 3 και κατανέμονται σε 10 hm 3 για το πεντάμηνο της αρδευτικής περιόδου και 10 hm 3 για την υπόλοιπη περίοδο. Υπό κανονικές συνθήκες οι διαθέσιμοι υδατικοί πόροι καλύπτουν τις ανάγκες. Τόσο το επιφανειακό όσο και το υπόγειο νερό αντλείται για να φτάσει στον προορισμό του. Δίκτυα μεταφοράς οδηγούν το νερό από τη λίμνη (Λ) και τις γεωτρήσεις (Γ1) σε αρδευτική δεξαμενή (ΑΔ) ενώ από εκεί μπορεί να [οδηγηθεί με περαιτέρω άντληση στην υδρευτική δεξαμενή (ΥΔ). Από άλλες γεωτρήσεις (Γ2) μπορεί να οδηγηθεί νερό απευθείας στην ΥΔ. Τα μανομετρικά ύψη για κάθε διαδρομή δίνονται στον Πίνακα 1, όπου ο τελευταίος αριθμός στα δεξιά του πίνακα αποτελεί και την παροχετευτικότητα του αντίστοιχου αγωγού της κάθε διαδρομής. Πίνακας 1 - Μανομετρικά ύψη σε m για κάθε διαδρομή συναρτήσει της παροχής. Παροχή (m3/s) 0.1 0.5 1 1.5 3 5 Λ-ΑΔ 120 121 123 125 129 142 Γ1-ΑΔ 102 115 139 170 ΑΔ-ΥΔ 20 22 27 32 Γ2-ΥΔ 172 182 Τα ποιοτικά χαρακτηριστικά του νερού τόσο της λίμνης, όσο και των γεωτρήσεων είναι γενικά μέσα στα όρια καταλληλότητας για ύδρευση, με εξαίρεση τη θολότητα που στη λίμνη είναι 35 μονάδες NTU, ενώ η απαίτηση για την ύδρευση είναι 15 μονάδες. Για τα νερά των γεωτρήσεων το αντίστοιχο μέγεθος είναι 5 μονάδες. 2. Εύρεση οικονομικά βέλτιστης κατανομής της απόληψης (Ερωτήματα 1 και 2) Στην παρούσα εργασία αναζητείται η οικονομικά βέλτιστη κατανομή της απόληψης υδρευτικού και αρδευτικού νερού για την πεντάμηνη αρδευτική περίοδο υπό κανονικές συνθήκες. Το κόστος της άντλησης υπολογίζεται από την απαιτούμενη ισχύ, με τον παρακάτω τύπο. P = ρ g Q H n (1) όπου ρ = πυκνότητα νερού (1000kg/m 3 ) g = επιτάχυνση βαρύτητας (9,81m/s 2 ) 2
Q = παροχή (m 3 /s) H = μανομετρικό ύψος (m) N = βαθμός απόδοσης (%) Η πυκνότητα του νερού, η επιτάχυνση της βαρύτητας και ο συνολικός βαθμός απόδοσης είναι σταθερά μεγέθη και, επομένως, το σημείο όπου ελαχιστοποιείται το κόστος άντλησης δηλαδή το P θα αναζητηθεί βάσει των υπόλοιπων παραμέτρων. Έτσι, η εξίσωση (1) γίνεται: P = Α(= ρ g ) Q H (2) n Για την εύρεση της βέλτιστης λύσης αξιοποιείται το εργαλείο Solver σε λογιστικά φύλλο excel. Η παροχή σε κάθε περίπτωση ανάγεται στον αντίστοιχο όγκου που απαιτείται για την πεντάμηνη αρδευτική περίοδο. Η βέλτιστη λύση εντοπίζεται στο συνδυασμό των παροχών που δίνουν τελικά το ελάχιστο άθροισμα των γινομένων V H για κάθε παροχή, όπως παρουσιάζεται στον Πίνακα 2. Στη διαδικασία αυτή, οι περιορισμοί που τέθηκαν είναι οι εξής: Βάσει των δεδομένων, για την άρδευση απαιτούνται 50hm 3, ενώ για την ύδρευση 10 hm 3 Τα όρια των παροχών για την κάθε διαδρομή ορίζονται στον Πίνακα 1. Πίνακας 2. Υπολογισμός παροχών στο σημείο όπου ελαχιστοποιείται το άθροισμα των γινομένων V H για κάθε παροχή. Διαδρομή Q (m³/s) H (m) V (m³*10^6) V*H Λ-ΑΔ 3.228 130.483 41.837 5459.030 Γ1-ΑΔ 0.630 121.233 8.163 989.618 ΑΔ-ΥΔ 0.672 23.716 8.704 206.424 Γ2-ΥΔ 0.100 172.000 1.296 222.912 Σύνολο 60 6877.984 Στην παραπάνω ανάλυση λήφθηκαν υπόψη μόνο υδρολογικά δεδομένα και όχι τα ποιοτικά χαρακτηριστικά του νερού. Επομένως, προκειμένου να ληφθούν υπόψη και τα ποιοτικά χαρακτηριστικά του νερού, εν προκειμένω η θολότητα αυτού, θα χρησιμοποιηθεί η εξίσωση ισορροπίας, όπως φαίνεται παρακάτω: C o (Qα + Qβ) = QαCα + QβCβ (3) 3
όπου C 0 = τελική θολότητα νερού (NTU) C α = θολότητα νερού από την πηγή Α (NTU) C β = θολότητα νερού από την πηγή Β (NTU) Q α = παροχή απόληψης από την πηγή Α (m 3 /s) Q β = παροχή απόληψης από την πηγή Β (m 3 /s) Η εξίσωση ισορροπίας θα εφαρμοστεί δύο φορές. Στην πρώτη περίπτωση για να βρεθεί η θολότητα του νερού στην Αρδευτική Δεξαμενή, με πηγή Α τη λίμνη και πηγή Β τη Γεώτρηση 1, και στη δεύτερη περίπτωση για να βρεθεί η τελική θολότητα του νερού άρδευσης, με πηγή Α την αρδευτική δεξαμενή και πηγή Β τη γεώτρηση 2. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στον πίνακα 3. Τονίζεται εδώ ότι για τη διαδικασία προστέθηκε επιπλέον περιορισμός, διότι η τελική θολότητα του νερού άρδευσης δεν μπορεί να ξεπεράσει τα 15NTU. Πίνακας 3. Υπολογισμός παροχών στο σημείο όπου ελαχιστοποιείται το άθροισμα των γινομένων V H για κάθε παροχή, λαμβανομένων υπόψη και των ποιοτικών χαρακτηριστικών του νερού. Διαδρομή Θολότητα Q H V (NTU) (m³/s) (m) (m³*10^6) V*H Λ-ΑΔ 35.00 3.064 129.417 39.712 5139.352 Γ1-ΑΔ 5.00 0.794 129.105 10.288 1328.294 ΑΔ-ΥΔ 28.83 0.324 21.119 4.197 88.636 Γ2-ΥΔ 5.00 0.448 180.694 5.803 1048.581 για ύδρευση 15.00 0.772 Σύνολο 60 7604.863 Αποδεικνύεται, λοιπόν, ότι η οικονομικά βέλτιστη λύση υποδεικνύει ότι η απόληψη νερού από τη λίμνη είναι της τάξεως των 40 hm 3 περίπου κατά τη διάρκεια των 5 μηνών που υφίστανται οι αρδευτικές ανάγκες, ικανή ποσότητα για να καλύψει το 80% των αναγκών αυτών. 3. Κρίσιμο Απόθεμα και Απόθεμα Συναγερμού της λίμνης (Ερωτήματα 3 και 4) Ένας από τους στόχους της διαχείρισης υδατικών πόρων είναι και η μέριμνα για τη διατήρηση των αναγκαίων αποθεμάτων στο μέλλον. Μπορεί να θεωρηθεί, λοιπόν, ότι το κρίσιμο απόθεμα στη λίμνη βάσει των χρήσεων νερού είναι η ετήσιες ανάγκες ύδρευση, ούτως ώστε να είναι διαθέσιμος ο απαιτούμενος όγκος για παν ενδεχόμενο. Στην υπό μελέτη λίμνη αλληλεπιδρούν οι χρήσεις άρδευσης των γεωργικών εκτάσεων και ύδρευσης της αστικής περιοχής. Καμία από αυτές τις χρήσεις αυτές δεν απαιτεί υψηλή στάθμη στη λίμνη, κάτι που θα ίσχυε αν, για παράδειγμα, η λίμνη αξιοποιείτο για λόγους αναψυχής τουρισμού. Παρόλα αυτά, η υπεράντληση από τη λίμνη έχει αρνητικές επιπτώσεις στην ποιότητα του νερού, η οποία οφείλει να διατηρείται εντός επιτρεπτών 4
ορίων και για τη διατήρηση της καλής κατάστασης του υδατικού οικοσυστήματος, αλλά και για τη διατήρηση της ποιότητας του πόσιμου νερού. Επομένως, ως απόθεμα συναγερμού της λίμνης ορίζεται ο ελάχιστος όγκος νερού κάτω από τον οποίο θα προκληθούν συνθήκες ευτροφισμού ή, γενικότερα, ακατάλληλες συνθήκες για τους υδρόβιους οργανισμούς της λίμνης και ως εκ τούτου η ποιότητα του νερού παύει να είναι αποδεκτή. Στην περίπτωση αυτή, επιβάλλεται να περιοριστεί η απόληψη νερού. Ο όγκος αυτός μπορεί να εκτιμηθεί κατά περίπτωση από μοντέλα προσομοίωσης ποιότητας νερού. Στην προκειμένη περίπτωση, τα δεδομένα για την υπό μελέτη λίμνη δεν επαρκούν για να προσδιοριστεί με ακρίβεια το απόθεμα συναγερμού. Για την ορθολογική διαχείριση της λίμνης χρειάζεται να προσδιοριστούν όλες οι σημαντικές παράμετροι που αφορούν στις διάφορες χρήσεις του νερού και να εκτιμηθούν οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις που προκύπτουν. Με αυτόν τον τρόπο τίθενται τα κριτήρια για την κατανομή των χρήσεων. Είναι φανερό ότι σε αυτήν την περίπτωση όπου οι χρήσεις περιορίζονται στην ύδρευση και την άρδευση μόνο, προτεραιότητα θα δοθεί στην ύδρευση. Άλλωστε, το νερό που αντλείται από τη λίμνη καταλήγει στην αρδευτική δεξαμενή και από εκεί μια μικρή ποσότητα οδηγείται στη υδρευτική δεξαμενή. Επομένως, μία πρόταση σχεδίου περιορισμού των απολήψεων και της κατανομής του ελλείμματος στις διάφορες χρήσεις είναι να εξεταστεί το ενδεχόμενο να καλυφθούν οι ανάγκες ύδρευσης αποκλειστικά από τη Γεώτρηση 2, ώστε να μην απαιτείται άντληση για το σκοπό αυτό από την αρδευτική δεξαμενή. Ακόμα, εάν αυτό κριθεί αναγκαίο, θα πρέπει να βρεθεί εναλλακτικός τρόπος να καλυφθούν οι αρδευτικές ανάγκες, ώστε να αντλείται μικρότερος όγκος νερού από τη λίμνη. Πρέπει να ειπωθεί, όμως, ότι για την παραπάνω διαδικασία απαιτούνται περισσότερα δεδομένα προς ανάλυση και η χρήση κατάλληλων μοντέλων (προσομοίωσης ποιότητας νερού, υδρολογικών μοντέλων για την εκτίμηση της ελάχιστης στάθμης, κ.α.). Επιπλέον, ενδεικτικά μπορούν να αναφερθούν τα παρακάτω μέτρα: Τεχνικά μέτρα Βελτίωση δικτύου (αγωγών) μεταφοράς νερού, για τον περιορισμό των απωλειών κατά τη μεταφορά του νερού. Στροφή σε τεχνικές άρδευσης με υψηλότερο ποσοστό απόδοσης. Ο βαθμός απόδοσης της άρδευσης με κατάκλυση κυμαίνεται στο 60%, ενώ αντίθετα η στάγδην άρδευση έχει βαθμό απόδοσης της τάξης του 90%. Άρδευση μέσω επαναχρησιμοποίησης αστικών λυμάτων. Για το σκοπό αυτό απαιτείται τριτοβάθμια επεξεργασία των αστικών λυμάτων, ενώ λοιποί περιορισμοί ορίζονται με την ΚΥΑ 145116 (ΦΕΚ 354Β/2011). 5
Ορθολογικές Γεωργικές Πρακτικές Πρώιμη σπορά. Με την πρώιμη σπορά, το στάδιο ανάπτυξης κατά το οποίο το φυτό έχει υψηλότερες απαιτήσεις σε υγρασία συμπίπτει με ευνοϊκότερες ως προς αυτό κλιματικές συνθήκες, μειώνοντας έτσι τις απαιτήσεις σε νερό, που τελικά καλύπτονται και μέσω των κατακρημνισμάτων. Σκληραγώγηση καλλιεργειών. Πρόκειται για διαδικασία, που μπορεί να εφαρμοστεί σε κάποιες μόνο καλλιέργειες, με την οποία οι φυτικοί οργανισμοί συνηθίζουν σε δυσμενέστερες συνθήκες θερμοκρασίας και υγρασίας, και κατά συνέπεια διαμορφώνουν ανθεκτικότερη συμπεριφορά και σε επόμενα στάδια ανάπτυξης. Στροφή σε καλλιέργειες με μικρότερες αρδευτικές ανάγκες. Αυτό, φυσικά, δε θα οδηγήσει σε εξάλειψη των αρδευτικών αναγκών. Είναι γεγονός, όμως, ότι υπάρχουν καταλληλότερες καλλιέργειες για το μεσογειακό κλίμα, οι οποίες εμφανίζουν μεγαλύτερη ανθεκτικότητα σε ξηρικές συνθήκες, κάτι που μπορεί να μειώσει ως ένα βαθμό τις ανάγκες σε αρδευτικό νερό και, ακόμα, ίσως να δώσει υψηλότερης ποιότητας προϊόν. Όλα τα παραπάνω μέτρα αναφέρονται μόνο ως ενδεικτικά παραδείγματα, ενώ σημειώνεται ότι κατά την εφαρμογή τους παρουσίασαν ποικίλες συνέπειες, σε κάποιες περιπτώσεις ακόμα και αρνητικές. Επομένως, οποιαδήποτε προτροπή προς κάποιο από αυτά τα μέτρα θα πρέπει να έπεται εμπεριστατωμένης μελέτης. 6
4. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ - Hadjibiros, K., A. Katsiri, A. Andreadakis, D. Koutsoyiannis, A. Stamou, A. Christofides, A. Efstratiadis, and G.-F. Sargentis, Multi-criteria reservoir water management, Global Network for Environmental Science and Technology, 7 (3), 386 394, 2005. - Institute for International and European Environmental Policy (In co-operation with ACTeon, National Technical University of Athens (NTUA), Universidad de Córdoba), EU Water saving potential, July 2007 7