Τμήμα Δασολογίας & Διαχείρισης Περιβάλλοντος & Φυσικών Πόρων Εργαστήριο Διευθέτησης Ορεινών Υδάτων και Διαχείρισης Κινδύνου Προπτυχιακό Πρόγραμμα Σπουδών ΜΑΘΗΜΑ: ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ Παναγιώτα Γαλιατσάτου Δρ. Πολιτικός Μηχανικός Α.Π.Θ. Φώτιος Μάρης Αναπλ. Καθηγητής Δ.Π.Θ.
ENOTHTA V ΑΝΑΓΚΕΣ ΣΕ ΑΡΔΕΥΤΙΚΟ ΝΕΡΟ
Το νερό που διατίθεται στη Γεωργία είναι το 85% της συνολικής κατανάλωσης. Στόχος η αρμονική συνύπαρξη της σχέσης των τριών στοιχείων.
Διεθνείς τάσεις Μικρότερος ρόλος του γεωργικού εισοδήματος στο ΑΕΠ του κράτους Ιδιωτικοποιήσεις Συμμετοχική Διαχείριση Αύξηση του κόστους του νερού ώστε να προσεγγίζει το πραγματικό κόστος Μεγαλύτεροι περιβαλλοντικοί περιορισμοί Ενίσχυση των κανόνων της αγοράς (Καλιφόρνια 65 φορές αποδοτικότερη η χρήση του νερού στη βιομηχανία) Λιγότερα χρήματα για νέα έργα
Περιορισμοί στην αρδευόμενη γεωργία Κοινή Αγροτική Πολιτική Συμφωνίες διασυνοριακών ποταμών Συνθήκες αυξανόμενης ρύπανσης Πίεση από το Διεθνές κίνημα για μικρότερη υποστήριξη της Γεωργίας των αναπτυγμένων κρατών
Διέξοδοι για αρδευόμενη γεωργία Αναβάθμιση και εκσυγχρονισμός δικτύων Μελέτη και λειτουργία βασισμένη στις πραγματικές ανάγκες Ελλειμματικές αρδεύσεις Επιλογή καλλιεργειών ανθεκτικών στην έλλειψη νερού Επιλογή καλλιεργειών ανθεκτικών σε νερό χαμηλής ποιότητας Τεχνολογία και επιστημονική υποστήριξη Λειτουργία των αρδευτικών έργων ως κόμβων που εντάσσονται στην ολοκληρωμένη διαχείριση της λεκάνης απορροής
Οι ανάγκες σε αρδευτικό νερό (Irrigation water requirement) αποτελούν τη βασική παράμετρο για τον προγραμματισμό και σχεδιασμό των αρδευτικών έργων. Αν ο υπολογισμός των αναγκών δεν είναι σωστός η απόδοση του έργου είναι μικρή. Αν υπερεκτιμηθούν οι ανάγκες σε αρδευτικό νερό: H παροχετευτικότητα των δικτύων και οι απαιτούμενες κατασκευές είναι μεγαλύτερες απ αυτές που χρειάζονται, με αρνητικές οικονομικές επιπτώσεις. Στον αγρό χορηγούνται ενδεχομένως μεγάλες ποσότητες νερού με δυσμενή αποτελέσματα στην παραγωγή (έκπλυση των θρεπτικών συστατικών, ανεπαρκής αερισμός του εδάφους). Με τον όρο "ανάγκες σε αρδευτικό νερό" εννοούμε το ύψος νερού που απαιτείται να χορηγηθεί στις καλλιέργειες με άρδευση επιπλέον του νερού που συνεισφέρεται με άλλους τρόπους (π.χ. Βροχόπτωση) για την κανονική τους ανάπτυξη.
Διαχωρισμός δύο ειδών δραστηριότητες που αφορούν στους υδατικούς Στις πόρους: ανάγκες περιλαμβάνονται: H ποσότητα του νερού που καταναλίσκεται από τις καλλιέργειες (διαπνοή και σχηματισμός των ιστών) H ποσότητα που εξατμίζεται από το έδαφος ή τα υγρά μέρη του φυτού Oι απώλειες κατά την εφαρμογή H ποσότητα που απαιτείται για την έκπλυση των αλάτων καθώς και για άλλες λειτουργίες όπως η αντιπαγετική προστασία. Για το σχεδιασμό των αρδευτικών έργων το ύψος των αναγκών πρέπει να εξετάζεται σε σχέση με τη μεταβολή του στο χρόνο και τόπο. Συνήθως από τα ιστορικά δεδομένα υπολογίζονται οι συνολικές ανάγκες της περιόδου, η εποχιακή τιμή και η τιμή των αναγκών κατά την περίοδο της μέγιστης ζητήσεως (seasonal & peak period water requirement) Αδρομερείς υπολογισμοί Διαστασιολόγηση έργων + έλεγχος επάρκειας
Ισοζύγιο νερού στον όγκο he W 1, W 2 : Η αρχική και η τελική αποθήκευση νερού στο ριζόστρωμα W D : Εκροή λόγω βαθιάς διήθησης W G : Εισροή νερού από το έδαφος κάτω από το ριζόστρωμα (συμβολή της υπόγειας στάθμης) P e : Η ενεργός βροχόπτωση ΙR: Το ύψος αναγκών σε νερό ΕΤ: Η εξατμισοδιαπνοή Ε α : Συντελεστής απόδοσης ΙR n : Καθαρό ύψος αναγκών σε νερό
Σε περίπτωση ξηρασίας: P e =0 Ο υπολογισμός των μέγιστων αναγκών πρέπει να γίνει με βάση μικρά σχετικώς διαστήματα (μιας εβδομάδας ή ίσο με το χρόνο μεταξύ δύο αρδεύσεων) ώστε να μπορούν να καταγραφούν επαρκώς οι μεταβολές του μεγέθους αναγκών. Ο όρος εξατμισοδιαπνοή (evapotranspiration) ορίζεται σαν την ποσότητα που καταναλίσκεται στη διαπνοή των φυτών και στην εξάτμιση των υγρών μερών του φυτού και του εδάφους κατά τη διάρκεια μιας ορισμένης περιόδου. Έρευνες των τελευταίων ετών οδήγησαν στο διαχωρισμό της εξάτμισης του εδάφους από τη διαπνοή (Ritchie, 1974). H εξατμισοδιαπνοή θεωρείται ενιαία μεταβλητή και ίση με την υδατοκατανάλωση. Συνήθως σαν καλλιέργεια αναφοράς παίρνεται το γρασίδι.
Η δυναμική/δυνητική εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας αναφοράς (potential evapotranspiration of reference crop, ΡΕΤ) είναι η εξατμισοδιαπνοή από μια επιφάνεια πλήρως καλυμμένη από γρασίδι ομοιόμορφου ύψους 8-15 cm, ελεύθερου από οποιαδήποτε ασθένεια με επαρκές διαθέσιμο εδαφικό νερό για την ανάπτυξη του. Η δυναμική/δυνητική εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας PET c μπορεί να προβλεφθεί αν είναι γνωστή η εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας αναφοράς ΡΕT με την εισαγωγή ενός φυτικού συντελεστή που χαρακτηρίζει τη διαφορά των χαρακτηριστικών της καλλιέργειας από την καλλιέργεια αναφοράς (Κ c ) Υπολογισμός Δυνητικής Εξατμισοδιαπνοής Άμεσες Μέθοδοι Έμμεσες Μέθοδοι
Άμεσες Μέθοδοι Υπολογισμού Δυνητικής Εξατμισοδιαπνοής 1) Μέτρηση της μεταβολής της εδαφικής υγρασίας στο ριζόστρωμα (τασίμετρα, πορώδη σώματα ή συσκευή Νετρονίων) Δυσκολία στο διαχωρισμό της ποσότητας που καταναλώθηκε από τα φυτά και αυτής που απομακρύνθηκε από τη ζώνη του ριζοστρώματος λόγω βαθιάς διηθήσεως Δυσκολία επιλογής αντιπροσωπευτικών θέσεων λήψεως δειγμάτων 2) Χρήση Λυσιμέτρου (ειδικού δοχείου για την παρακολούθηση της εδαφικής υγρασίας) Παρέχουν τη δυνατότητα της μετρήσεως της εκροής λόγω βαθιάς διηθήσεως Δεν μπορούν να αναπαραστήσουν ακριβώς τις φυσικές συνθήκες Για μεγάλη περιοχή τα αποτελέσματα έχουν μόνο σχετική ισχύ. 3) Η μέθοδος του ισοζυγίου του νερού μιας λεκάνης με μετρήσεις των υδρολογικών της στοιχείων. Από μέτρηση βροχοπτώσεων, εισροής και εκροής μέσω των υδατορεμάτων και μεταβολής της στάθμης του υπόγειου ορίζοντα
Έμμεσες Μέθοδοι Υπολογισμού Δυνητικής Εξατμισοδιαπνοής Θεωρητικές Ημι-θεωρητικές Εμπειρικές Προσπαθούν να προσδιορίσουν την εξατμισοδιαπνοή χρησιμοποιώντας κλιματικά δεδομένα. Αρκετά αξιόλογη και αρκετά περίπλοκη. Δίνει εκτιμήσεις της εξατμισοδιαπνοής μικρών χρονικών διαστημάτων (π.χ. διάστημα 1 hr) με στοιχεία που λίγοι σχετικά μετεωρολογικοί σταθμοί στον κόσμο μπορούν να προσφέρουν. Εύκολη συσχέτιση της εξατμισοδιαπνοής με βασικά κλιματικά δεδομένα, που μπορούν να βρεθούν σε κάθε περιοχή (π.χ. η θερμοκρασία)
Ορθολογικές μέθοδοι υπολογισμού της εξατμισοδιαπνοής 1) Μέθοδος μεταφοράς μάζας ή αεροδυναμική μέθοδος 2) Μέθοδος του ισοζυγίου της ενέργειας ή μέθοδος ακτινοβολίας 3) Μέθοδος Penman ή μέθοδος συνδυασμού 4) Μέθοδος Blaney-Criddle 5) Μέθοδος της λεκάνης Για ένα μηνιαίο διάστημα: Δυνητική εξατμισοδιαπνοή καλλιέργειας αναφοράς f : ο κλιματικός παράγοντας σε mm/ημέρα p: είναι το μέσο ημερήσιο ποσοστό της συνολικής ετήσιας διάρκειας των ωρών ημέρας. Δίνεται ως συνάρτηση του μήνα και του γεωγραφικού πλάτους της περιοχής Τ : είναι η μέση θερμοκρασία του μήνα σε C. Οι φυτικοί συντελεστές που υπολογίστηκαν για μια ορισμένη περιοχή δεν πρέπει να μεταφέρονται και να χρησιμοποιούνται σε άλλες περιοχές.
Πίνακας υπολογισμού της παραμέτρου p (μέσο ημερήσιο ποσοστό της συνολικής ετήσιας διάρκειας των ωρών ημέρας)
Μέθοδος Blaney-Criddle Οι διορθώσεις που προτείνονται χρησιμοποιούν τις ακόλουθες κλιματικές παραμέτρους της υπό μελέτη περιοχής: Tην ελάχιστη σχετική υγρασία, RHmin [%] Tο ποσοστό ηλιοφάνειας, n/ν Tη μέση ταχύτητα ανέμου στο 24ωρο σε ύψος 2m, u 2 [m/sec] Η δυνητική εξατμισοδιαπνοή είναι: a b Από τον Πίνακα σαν συνάρτηση των ίδιων παραμέτρων.
Πίνακας υπολογισμού της σταθεράς b
Εφαρμογή Περιοχή Γεωγραφικού πλάτους 41 ο Β Μήνας Ιούλιος Μέση Θερμοκρασία 25.5 ο C f = 6.511mm/ημέρα Κατ εκτίμηση : RΗmin 55% a= -2.208 b= 1.255 n/ν 0.80 u 2 2 m/sec PET =a+b*f= 5.96mm/ημέρα
41 p = 33% =0.33 f = p(0.46t+8) = 6.511mm/ημέρα
a= -2.208 55% b= 1.255
ΕΤc : Εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας χωρίς αισθητή έλλειψη νερού ταυτόσημη με PΕΤc CU: Χρήσιμη υδατοκατανάλωση PET= Εξατμισοδιαπνοή για το γρασίδι Ε ο = Εξάτμιση από την λεκάνη εξατμίσεως σε αγρό με γρασίδι Η πιο αξιόπιστη έμμεση μέθοδος είναι η μέθοδος Penman για μια ευρεία περιοχή κλιμάτων σ' όλο τον κόσμο. Η μέθοδος Penman μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ΠΡΟΣΟΧΗ: την εκτίμηση Kαμία της δυναμικής μέθοδος εξατμισοδιαπνοής δεν μπορεί να μικρών χρησιμοποιηθεί περιόδων. σε όλα Σε τα γεωγραφικά προκαταρκτικό πλάτη στάδιο μελέτης και μήκηενός χωρίςκαινούριου τοπική εγγειοβελτιωτικού βαθμονόμηση έργου, μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην Ελλάδα η διορθωμένη μέθοδος Blaney - Criddle
Όλες οι μέθοδοι που αναπτύχθηκαν μέχρι τώρα υπολογίζουν την δυνητική εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας δηλαδή την πραγματική εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας με την υπόθεση ότι το νερό στο ριζόστρωμα παραμένει κοντά στην υδατοΐκανότητα. Η πραγματική εξατμισοδιαπνοή μπορεί να προβλεφθεί: Απ ευθείας με μετρήσεις της εδαφικής υγρασίας Από την δυνητική εξατμισοδιαπνοή PETc με τη διόρθωση ελαττώσεως της υγρασίας στη ζώνη του ριζοστρώματος. Όπου: f(x/x ο ) είναι η συνάρτηση διαθεσιμότητας της εδαφικής υγρασίας x είναι το ύφος του διαθέσιμου εδαφικού νερού στο ριζόστρωμα x o είναι το ίδιο ύψος εδαφικού νερού στην υδατοΐκανότητα.
ΕΤ : Εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας χωρίς αισθητή έλλειψη νερού Καθ. Γ. Τσακίρης
Ενεργός βροχόπτωση Η ενεργός βροχόπτωση είναι το μέρος εκείνο της βροχοπτώσεως που εισχωρεί στο ριζόστρωμα και χρησιμοποιείται από τις καλλιέργειες για την ανάπτυξη τους. Η ενεργός βροχόπτωση εξαρτάται: το ύφος και η ένταση βροχοπτώσεως την αποθηκευτικότητα του ριζοστρώματος της καλλιέργειας την κατάσταση της επιφάνειας του εδάφους (ξηρό έδαφος, φύλλωμα δένδρων) τη διηθητικότητα του εδάφους το έλλειμμα υγρασίας πριν τη βροχόπτωση που καθορίζεται από το καθεστώς της υγρασίας (αρδευόμενες περιοχές) την εξάτμιση Μετά τον καθορισμό του ύψους βροχοπτώσεως η ενεργός βροχόπτωση, που υπεισέρχεται στον προσδιορισμό των αναγκών των καλλιεργειών σε αρδευτικό νερό, εκτιμάται συνήθως εμπειρικά. Σε μια πρώτη προσέγγιση το ύψος ενεργού βροχοπτώσεως είναι 80% του συνολικού ύψους βροχοπτώσεως.
Ενεργός βροχόπτωση Μια αναλυτική μέθοδος που χρησιμοποιείται από το υπουργείο Γεωργίας των Η.Π.Α: Στον πίνακα μέση μηνιαία ενεργός βροχόπτωση προκύπτει σαν συνάρτηση του μηνιαίου ύφους βροχοπτώσεως και μηνιαίας τιμής της εξατμισοδιαπνοής της καλλιέργειας, με την προϋπόθεση ότι το μέγιστο έλλειμμα υγρασίας στο ριζόστρωμα είναι ίσο με 75 mm. Αν η διαθέσιμη αποθηκευτικότητα του ριζοστρώματος είναι διαφορετική από 75 mm γίνεται η σχετική διόρθωση
Ενεργός βροχόπτωση Δίνονται, τα ύψη βροχοπτώσεως σε mm, που εμφανίστηκαν κατά το μήνα Μάιο την περίοδο 1954-1979 στο βροχομετρικό σταθμό που βρίσκεται, στη περιοχή που πρόκειται να κατασκευαστεί αρδευτικό έργο. Ζητείται να υπολογιστεί το ύψος ενεργού βροχοπτώσεως για τον υπολογισμό των αναγκών σε αρδευτικό νερό, με πιθανότητα υπερβάσεως 75%, αν η εξατμισοδιαπνοή της καλλιέργειας το Μάιο εκτιμάται 125 mm και το διαθέσιμο για πλήρωση έλλειμμα στο ριζόστρωμα είναι 100mm.
Ενεργός βροχόπτωση Σχέση ύψους βροχής και 100 m/(n+1), σε χαρτί πιθανότητας της κανονικής κατανομής 18mm 75%
Ενεργός βροχόπτωση 18mm Pe =14.4mm Pe =1.02*14.4mm=14.7mm
Εισροή από την υπόγεια στάθμη Η συμβολή των υπόγειων νερών στο υδατικό ισοζύγιο είναι δύσκολο να εκτιμηθεί και γι αυτό πολλές φορές δεν λαμβάνεται υπόψη κατά την εκτίμηση των αναγκών σε αρδευτικό νερό Εξαρτάται από : Το βάθος της υπόγειας στάθμης κάτω από το ριζόστρωμα Τις ιδιότητες του εδάφους Την περιεκτικότητα του εδάφους του ριζοστρώματος σε νερό.
Βαθμός απόδοσης κατά την εφαρμογή (ορισμός Israelsen 1932) V ο : Ο διαθέσιμος όγκος νερού για άρδευση στο σημείο της εκτροπής V 3 : Ο όγκος νερού που καταλήγει στο ριζόστρωμα των καλλιεργειών Οι απώλειες του αρδευτικού νερού κατά την εφαρμογή του διακρίνονται: Σ αυτές που οφείλονται στην εξάτμιση Στην επιφανειακή απορροή Στη βαθιά διήθηση Και εξαρτώνται από: Τη μέθοδο εφαρμογής Τις συνθήκες εδάφους και ατμόσφαιρας Την εμπειρία και το ήθος των γεωργών που χρησιμοποιούν το αρδευτικό νερό.
Παραγωγικότητα του νερού Ο λόγος του οφέλους από τη χρήση νερού προς τον όγκο νερού που απαιτείται. Στόχος: Μεγαλύτερη παραγωγή με λιγότερο νερό ( More crop per drop) όφελος: σε φυσικούς ή οικονομικούς όρους νερό: σε μονάδες όγκου νερού ΠΡΟΣΟΧΗ: Η κλίμακα επηρεάζει τον τρόπο υπολογισμού.
Παραγωγικότητα του νερού ΣΤΟΧΟΣ
Προβλήματα διαχείρισης και λειτουργίας των εγγειοβελτιωτικών έργων Η εγκατάλειψη του δικτύου μετά την κατασκευή του (μεγάλες απώλειες και διαρροές) Οι μέτριες ή προβληματικές κατασκευές (ή και μελέτες). Η ανυπαρξία ουσιαστικής μελέτης για τη "Διαχείριση του Έργου". Η ανυπαρξία επιστημονικών εργαλείων για τη διαχείριση των έργων. Η ανεπαρκής (και αντιεπιστημονική) στελέχωση των τοπικών φορέων. Η ανεπαρκής χρηματοδότηση της συντήρησης σε αντίθεση με την κατασκευή. Η δυσκολία γρήγορων και επιτόπου επισκευών. Η ανεξέλεγκτη χρήση των πόρων. Η δημιουργία δυσμενών συνθηκών για το περιβάλλον
Ποιότητα Νερού Συνεχής μεταβολή στο χρόνο και στο χώρο Συσχέτιση με το αντίστοιχο οικοσύστημα Συσχέτιση με τη χρήση (δηλ. η ποιότητα συνδέεται άμεσα με τη χρήση) Προβλήματα ρύπανσης Μείωση του οξυγόνου (οργανικά απόβλητα) Ευτροφισμός (φώσφορος & άζωτο) Συσσώρευση βαρέων μετάλλων (π.χ. υδράργυρος και μόλυβδος). Πρόβλημα που υπάρχει κυρίως στα ποτάμια της Βόρειας και Δυτικής Ευρώπης και δεν είναι έντονο στον ελλαδικό χώρο.
Προβλήματα ρύπανσης Συσσώρευση οργανικών μικρορρύπων Αύξηση συγκέντρωσης νιτρικών (αζωτούχα λιπάσματα & στερεά ζωικά απόβλητα). Σύγχρονο πρόβλημα η ύπαρξη νιτρικών (και στην Ελλάδα) Βελτίωση πόσιμου νερού Εσχαρισμός Προαερισμός Κροκίδωση/ Συσσωμάτωση (συμπίεση φερτών και απομάκρυνση) Καθίζηση (επιτάχυνση του δείγματος αύξησης ταχύτητας καθίζησης Rubin) Διύλιση( φίλτρα άμμου κατακράτηση ουσιών) Απολύμανση (π.χ. χλωρίωση)
Βελτίωση πόσιμου νερού Περιορισμός λιπασμάτων και φυτοφαρμάκων Παράλληλη ανάπτυξη της έρευνας για λιπάσματα και φυτοφάρμακα περισσότερο φιλικά στο περιβάλλον Διακοπή της καλλιέργειας περιορισμένων εκτάσεων με αποζημίωση των θιγομένων Αλλαγές στον τρόπο λειτουργίας η πρόσθετες κατασκευές που θα βοηθούσαν στην αντιρρύπανση Πρόβλεψη δημιουργίας ζωνών διατήρησης της αναγκαίας φυσικής βλάστησης
ENOTHTA VΙ ΑΝΑΓΚΕΣ ΣΤΗ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑ
Ντετερμινιστιστική Διαδικασία Ο προσδιορισμός των αναγκών στη Βιομηχανία είναι μια ντετερμινιστική διαδικασία σε αντίθεση δηλαδή με τη γεωργία καθώς δεν εξαρτώνται από τις καιρικές συνθήκες. Οι ανάγκες σε νερό είναι σταθερές (αιτιοκρατική προσέγγιση). Από το νερό που χρησιμοποιείται ένα μέρος καταναλώνεται (consumptive use) ενώ ένα άλλο μέρος δεν καταναλώνεται, απλά αλλάζει η ποιότητα του π.χ. νερό ψύξης. Παράλληλα χρησιμοποιείται η υδροδυναμική ενέργεια και το νερό δε χάνεται αφού παραμένει στο ισοζύγιο Ανακύκλωση νερού (Recycling) Αναφέρεται στη μείωση του νερού που δίνεται στη Βιομηχανία. Έτσι μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί νερό από εγκατάσταση καθαρισμού για βιομηχανικούς σκοπούς (π.χ. cooling). Παροχή Λυμάτων (Outflow discharge) Έχει να κάνει με τη σχέση κέντρο κατανάλωσης περιβάλλον
Δε λύνεται το πρόβλημα της ρύπανσης από τις βιομηχανίες με το να πληρώνουν τα εργοστάσια όταν ρυπαίνουν διότι αφενός είναι αυτονόητο ότι πρέπει να πληρώνουν και παράλληλα σε πολλές περιπτώσεις δεν επαρκεί μόνο να πληρώνουν. Απαιτούνται Π.Δ. για ποινές σε περιπτώσεις ρύπανσης ακόμα και ποινικές διώξεις. Τέτοιες διατάξεις περιέχονται στο νέο νόμο. Στη βιομηχανία μπορεί να βρεθεί ένας μηχανικός τρόπος εκτίμησης όλων των καταναλώσεων.