Τεχνολογίες που συνδέονται με την διαχείριση υδατικών λεκανών Δρ. Γεώργιος Δ. Γκίκας Επικ. Καθηγητής Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος Πολυτεχνική Σχολή Δ.Π.Θ. Τηλ./Fax: 25410-79381 E-mail: ggkikas@env.duth.gr
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Ορισμοί Μοντέλα μη-σημειακής ρύπανσης Διάκριση πηγών ρύπανσης Παράδειγμα περιβαλλοντικής διαχείρισης λεκάνης απορροής Περιγραφή-εφαρμογή υδρολογικού μοντέλου
Ορισμοί Λεκάνη απορροής ή υδρολογική λεκάνη: Είναι μια ηπειρωτική λεκάνη με τη μορφή κοιλώματος που διοχετεύει νερό και ιζήματα από τις κλιτίες των λόφων στις κοίτες των υδρορευμάτων. Πρόκειται για την εδαφική έκταση από την οποία συγκεντρώνεται το σύνολο της απορροής μέσω διαδοχικών ρευμάτων, ποταμών ή και λιμνών και παροχετεύεται στη θάλασσα με ενιαίο στόμιο ποταμού, εκβολές ή δέλτα. Υδροκρίτης : Είναι η νοητή γραμμή που διαχωρίζει τη ροή του νερού σε παρακείμενες λεκάνες απορροής.
Ορισμοί Μέγεθος Λεκάνης Απορροής: Για την εκτίμηση του μεγέθους μιας λεκάνης απορροής απαραίτητη προϋπόθεση είναι ο καθορισμός του υδροκρίτη της λεκάνης. Το μέγεθος της λεκάνης μπορεί να κυμαίνεται από μερικές χιλιάδες km 2, όπως π.χ. το μέγεθος των λεκανών μεγάλων ποταμών, μέχρι και λίγα m 2.
Ορισμοί Διαχείριση Λεκάνης Απορροής: είναι η μελέτη των σχετικών χαρακτηριστικών μιας λεκάνης απορροής με στόχο την βιώσιμη κατανομή των πόρων της και τη διαδικασία για τη δημιουργία και την εφαρμογή σχεδίων, προγραμμάτων και έργων για τη διατήρηση και την ενίσχυση της. Μια τέτοια μελέτη μπορεί να περιλαμβάνει: ανάλυση και χαρακτηρισμό των υδάτινων σωμάτων, επισκόπηση των σημαντικών επιπτώσεων που ασκούνται στα ύδατα από τις ανθρώπινες δραστηριότητες, οικονομική ανάλυση της χρήσεως ύδατος, ανάπτυξη και εφαρμογή προγράμματος παρακολούθησης της κατάστασης των επιφανειακών και υπόγειων νερών, ανάπτυξη και εφαρμογή μαθηματικών μοντέλων προσομοίωσης.
Ορισμοί Φυσικό σύστημα (natural system): είναι ο υδρολογικός κύκλος ή μέρος αυτού. Υδρολογικό μοντέλο (hydrological model): είναι μια απλουστευμένη απεικόνιση του φυσικού συστήματος. Μαθηματικό μοντέλο (mathematical model): είναι ένα σύνολο μαθηματικών εξισώσεων που προσομοιώνουν ένα φυσικό σύστημα. Προσομοίωση (simulation): είναι η χρονικά μεταβαλλόμενη περιγραφή ενός φυσικού συστήματος που υπολογίζεται από το υδρολογικό μοντέλο.
Μοντέλα μη-σημειακής ρύπανσης Τύποι μοντέλων Προσδιοριστικά (deterministic models): Τα μοντέλα αυτά έχουν το χαρακτηριστικό ότι για δεδομένο σετ εισόδου λαμβάνεται ένα μόνο σετ εξόδου. Μοντέλα φυσικής βάσης (physically based): Τα μοντέλα φυσικής βάσης περιγράφουν ένα φυσικό σύστημα βασιζόμενα στις εξισώσεις της φυσικής δηλαδή στις εξισώσεις της συνέχειας, της αρχής διατήρησης της μάζας κ.α. Παραμετρικά ή Εννοιολογικά μοντέλα (conceptual models): Τα μοντέλα αυτά βασίζονται σε ένα σύνολο απλουστευτικών παραδοχών του φυσικού συστήματος.
Μοντέλα μη-σημειακής ρύπανσης Στοχαστικά (stochastic models): Ένα στοχαστικό μοντέλο περιέχει ποσότητες που αναπαρίστανται με στοχαστικές μεταβλητές δηλαδή έχουν ορισμένα τμήματα με «τυχαία» είσοδο. Ενιαία (lumped models): είναι τα μοντέλα όπου η λεκάνη απορροής θεωρείται ως μια ενότητα. Κατανεμημένα (distributed models): τα κατανεμημένα μοντέλα λαμβάνουν υπόψη την χωρική κατανομή των μεγεθών εισόδου και εξόδου στη λεκάνη απορροής. Εμπειρικά (empirical or black box models): Τα μοντέλα αυτά αναπτύσσονται χωρίς να λαμβάνουν υπόψη τους τις φυσικές διαδικασίες που πραγματοποιούνται στη λεκάνη απορροής. Βασίζονται στην ανάλυση χρονοσειρών εισόδου και εξόδου.
Μοντέλα μη-σημειακής ρύπανσης
Μοντέλα μη-σημειακής ρύπανσης Αξιοπιστία των μοντέλων: οποιαδήποτε προσομοίωση του «πραγματικού κόσμου» μπορεί να επιτευχθεί μόνο κατά προσέγγιση 10
Μοντέλα μη-σημειακής ρύπανσης Βαθμονόμηση των μοντέλων Στα υδρολογικά και μοντέλα ποιότητας νερού χρησιμοποιούνται πολλές εξισώσεις και τύποι που είναι εμπειρικοί και απαιτούν την γνώση πολλών συντελεστών. Συχνά μόνο κατά προσέγγιση τα μεγέθη αυτών των συντελεστών είναι γνωστά. Επομένως είναι απαραίτητη η λεγόμενη βαθμονόμηση των μοντέλων με την οποία προσδιορίζονται οι τιμές των συντελεστών. Η βαθμονόμηση σημαίνει να δώσουμε στους συντελεστές τιμές μέσα στα αποδεκτά όρια μέχρι να λαμβάνεται μια συμφωνία μεταξύ των μετρημένων και υπολογισμένων τιμών.
Μοντέλα μη-σημειακής ρύπανσης Βαθμονόμηση των μοντέλων Η προσπάθεια να ρυθμιστούν είκοσι ή και περισσότεροι συντελεστές για κάθε χρήση εδάφους στον ίδιο χρόνο είναι κουραστική και συχνά αδύνατη. Ευτυχώς, όλα τα μοντέλα είναι πιο ευαίσθητα, σε μερικές σημαντικές μεταβλητές και λιγότεροι σε άλλες. Μετά τη βαθμονόμηση του μοντέλου γίνεται η επαλήθευση αυτού η οποία περιλαμβάνει το τρέξιμο του μοντέλου με συντελεστές που ορίστηκαν κατά τη διάρκεια της βαθμονόμησης και με τιμές εισόδου που αντιστοιχούν σε μια άλλη περίοδο μετρήσεων (διαφορετικό σετ μετρήσεων).
Μοντέλα μη-σημειακής ρύπανσης Κριτήρια βαθμονόμησης μοντέλων 1. Οι μετρηθείσες και προβλεπόμενες τιμές από το μοντέλο τιμές μπαίνουν σε διαγράμματα χρονοσειράς. Με τη βοήθεια των διαγραμμάτων αυτών γίνεται οπτικός έλεγχος και σύγκριση των τιμών που μετρήθηκαν στο πεδίο και αυτών που εκτιμά το μοντέλο. 2. Γίνεται γραφική παράσταση προβλεπόμενων τιμών από το μοντέλο σε συνάρτηση με τις τιμές που μετρούνται στο πεδίου (διαγράμματα διασποράς). Η καλύτερη σύγκριση είναι όταν όλα τα σημεία στα διαγράμματα αυτά συμπίπτουν με τη γραμμή απόλυτης ταύτισης (γραμμή 1:1). Μια άλλη παράμετρος ελέγχου είναι και ο συντελεστής συσχέτισης R 2, ο οποίος δείχνει τη διασπορά των τιμών γύρω από την γραμμή τάσης. Όταν η τιμή του R 2 είναι κοντά στο 1,0, τότε έχουμε τη μικρότερη διασπορά των σημείων γύρω από την ευθεία γραμμή και επομένως την καλύτερη βαθμονόμηση.
Μοντέλα μη-σημειακής ρύπανσης Παραδείγματα μοντέλων Το HSPF είναι ένα μαθηματικό μοντέλο που αναπτύχθηκε κάτω από την εποπτεία της US EPA. Το μοντέλο αυτό μπορεί να κάνει προσομοίωση σε αστική και σε αγροτική περιοχή της απορροής, της μεταφοράς φερτών, θρεπτικών (φώσφορος άζωτο) αλλά και των φυτοφαρμάκων. Το AGNPS είναι ένα μοντέλο προσομοίωσης ενός γεγονότος βροχόπτωσης, δεν δουλεύει δηλαδή σε συνεχή κλίμακα, χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό των παραγόμενων ιζημάτων σε μια λεκάνη απορροής, καθώς και του φορτίου των θρεπτικών συστατικών και φυτοφαρμάκων που παράγονται σ αυτήν. Το CREAMS αναπτύχθηκε για να αποτιμήσει την ρύπανση από μη σημειακές πηγές στην άκρη των αγρών (edge-of-field) που οφείλεται στην εναλλαγή των καλλιεργειών από έτος σε έτος και επομένως στην διαφορετική εφαρμογή λιπασμάτων και φυτοφαρμάκων. Το SWRRB είναι ένα μοντέλο στο οποίο η λεκάνη απορροής μπορεί να διαιρεθεί σε έναν αριθμό σχετικά ομογενών υπολεκανών. Το μοντέλο λειτουργεί σε συνεχή χρονική κλίμακα και μπορεί να κάνει προσομοίωση υδρολογίας, ιζηματογένεσης, μεταφοράς θρεπτικών και φυτοφαρμάκων σε μεγάλες και πολύπλοκες λεκάνες απορροής. Για την δημιουργία του τροποποιήθηκε το μοντέλο CREAMS.
Μοντέλα μη-σημειακής ρύπανσης Παραδείγματα μοντέλων Το SWAT είναι ένα μοντέλο που προέκυψε από την βελτίωση του SWRRB, και μπορεί να εφαρμοστεί σε μεγάλες πολύπλοκες λεκάνες με διαφορετικά εδάφη, χρήση γης και συνθήκες διαχείρισης, για μεγάλη χρονική περίοδο. Το GLEAMS (Groundwater Loading Effects of Agricultural Management Systems) αναπτύχθηκε με τροποποίηση του μοντέλου CREAMS ώστε να είναι δυνατή η προσομοίωση της κατακόρυφης κίνησης των φυτοφαρμάκων. Το ANSWERS (Aerial, Nonpoint Source, Watershed) μπορεί να προσομοιώσει την διείσδυση του νερού, την επιφανειακή αποθήκευση, την ροή πάνω στο έδαφος, την μεταφορά ιζημάτων και την κίνηση θρεπτικών στη λεκάνη απορροής. Το ARM είναι ένα συνεχές μοντέλο που εφαρμόζεται για προσομοίωση απορροής, ιζημάτων, φυτοφαρμάκων και θρεπτικών στα επιφανειακά νερά. Το PRZM μπορεί να εφαρμοστεί σε αγροτικές και δασικές περιοχές και προσομοιώνει την κίνηση χημικών σε μια ακόρεστη ζώνη αμέσως κάτω από την ζώνη των ριζών των φυτών.
Διάκριση πηγών ρύπανσης Σημειακές πηγές Οι ρύποι εισέρχονται στα υδατικά συστήματα σε καθορισμένα σημεία (υπόνομοι, βιομηχανίες κ.λ.π.). Μη σημειακές πηγές (αγροτική δραστηριότητα) Η ρύπανση εισέρχεται στα επιφανειακά νερά με διάχυτη μορφή, σε διακοπτόμενα χρονικά διαστήματα. Η παραγωγή των ρύπων γίνεται σε μια εκτεταμένη περιοχή. Η ρύπανση δεν μπορεί ή είναι δύσκολο να ελεγχθεί στη θέση παραγωγής.
Διάκριση πηγών ρύπανσης Μη σημειακές πηγές. Η μη σημειακή ρύπανση είναι δύσκολο να αναγνωριστεί και να ποσοτικοποιηθεί. Οι λόγοι είναι οι εξής: Ο σχετικά μεγάλος αριθμός των διάχυτων μη σημειακών πηγών ρύπων. Η σύνθετη αλληλεπίδραση που συμβαίνει στα κανάλια απορροής των αγροτικών περιοχών, π.χ., οι χημικές αντιδράσεις μεταξύ των φυτοφαρμάκων και των εντομοκτόνων. Η μεγάλη διακύμανση των βροχοπτώσεων (βροχοπτώσεις διαφορετικής έντασης) και της παραγωγής απορροής. Η έλλειψη γνώσης για τις ζημιές και το κόστος από τις μη σημειακές πηγές ρύπανσης, η οποία είναι απαραίτητη για τη θέσπιση ορίων ποιότητας στα νερά απορροής αγροτικών περιοχών.
Διάκριση πηγών ρύπανσης Ο έλεγχος των σημειακών και μη σημειακών πηγών ρύπανσης είναι απαραίτητος για τη διατήρηση ή βελτίωση της ποιότητας του νερού. Έλεγχος σημειακών πηγών: Σχετικά εύκολος με την κατασκευή κατάλληλων έργων στις εξόδους τους προς τους αποδέκτες. Έλεγχος μη σημειακών πηγών: Για τον έλεγχο αυτό θα πρέπει να γίνει εκτίμηση της ποιοτικής και ποσοτικής ρύπανσης από τις πηγές αυτές. Έμμεση προσέγγιση. Χρησιμοποιεί δεδομένα μετρήσεων σε επιφανειακά νερά και δίνει γενικές ενδείξεις για την ποιότητα και ποσότητα της μη-σημειακής ρύπανσης. Η προσέγγιση αυτή περιορίζεται στην ποιότητα του νερού του αποδέκτη και όχι στις πηγές ή στα αίτια της ρύπανσης. Άμεση προσέγγιση. Επικεντρώνεται απ ευθείας στις μη σημειακές πηγές με δειγματοληψίες σε μικρές ομογενείς λεκάνες απορροής (χρήσεις γης, παραγωγή αποβλήτων, συσχέτιση αποβλήτων με βροχοπτώσεις και απορροή, μεταφορά αποβλήτων, στατιστική ανάλυση).
Πηγές ρύπανσης Οι κυριότερες πηγές ρύπανσης σε μια λεκάνη απορροής είναι: Αστικές Βιομηχανικές Γεωργικές Φυσικές
Γεωργικές πηγές Οι κυριότεροι ρύποι προερχόμενοι από αγροτικές μησημειακές πηγές είναι: Φερτά (Sediments) Θρεπτικά άλατα (π.χ. αζώτου και φωσφόρου) Μέταλλα (π.χ. όξινες απορροές ορυχείων, βαριά μέταλλα, αλατότητα) Φυτοφάρμακα, εντομοκτόνα Απόβλητα ζώων Παθογόνα
Επίδραση των αγροτικών πρακτικών στην ποιότητα των νερών Αλλαγή στην παροχή των φερτών υλών (θολότητα, μεταφορά Ρ, ΝΗ 4 ). Χειροτέρευση της ποιότητας του νερού λόγω εφαρμογής λιπασμάτων (ευτροφισμός, βλάβες στην υγεία λόγω νιτρικών στο πόσιμο). Αύξηση της συγκέντρωσης των αλάτων του εδάφους (Ca, Mg, Na, K, CO 3 κλπ). Υποβάθμιση της ποιότητας του νερού υδατικών συστημάτων λόγω των φυτοφαρμάκων (λίμνες, κόλποι, παράκτιες περιοχές).
Διαχείριση επιφανειακών υδατικών συστημάτων Παράδειγμα περιβαλλοντικής διαχείρισης λεκάνης απορροής
Περιοχή μελέτης Θέση: Ν. Ροδόπης Έκταση: 340 km 2 Μήκος ποταμού: 40 km Εκβολές: Λίμνη Ισμαρίδα Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας
Σύστημα συλλογής δεδομένων Δημιουργία δικτύου 3 σταθμών μέτρησης: Σταθμός «Φωλιά»: Έξω από το χωριό Φωλιά, βόρεια της Κομοτηνής. Δίνει πληροφορίες για την ποιότητα του νερού, όταν αυτό εξέρχεται από το ορεινό δίκτυο. Σταθμός «Παραδημή»: Έξω από το χωριό Παραδημή. Δίνει πληροφορίες για την ποιότητα του νερού στο πεδινό κομμάτι της περιοχής μελέτης. Σταθμός «Ισμαρίδα»: Ανάντι της λίμνης Ισμαρίδας. Δίνει πληροφορίες για την ποιότητα του νερού του ποταμού, πριν αυτό εισέλθει στη λίμνη. Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας
Σύστημα συλλογής δεδομένων Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας
Rainfall (mm) (a) Rainfall (mm) (c) Σύστημα συλλογής δεδομένων 140 120 100 80 60 40 20 0 140 120 100 80 60 40 20 0 Mountainous area Mean rainfall Mean temperature J F M A M J J A S O N D Mean rainfall Mean temperature J F M A M J J A S O N D 70 60 50 40 30 20 10 0 70 60 50 40 30 20 10 0 Air Temperature ( ο C) Air Temperature ( ο C) Rainfall (mm) (b) Rainfall (mm) 140 120 100 80 60 40 20 0 140 120 100 80 60 40 20 Lowland area Mean rainfall Mean temperature J F M A M J J A S O N D Mean rainfall Mean temperature Εργαστήριο Οικολογικής 0 Μηχανικής και Τεχνολογίας 0 Τμήμα (d) Μηχανικών Περιβάλλοντος, Δ.Π.Θ. J F M A M J J A S O N D 70 60 50 40 30 20 10 0 70 60 50 40 30 20 10 Air Temperature ( o C) Air Temperature ( o C) ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ Μέσες μηνιαίες τιμές βροχόπτωσης και θερμοκρασίας: (a), (b) μέσες τιμές από το 1985 μέχρι το 2004 (c), (d) μέσες τιμές για την περίοδο των μετρήσεων
Σύστημα συλλογής δεδομένων Μετρήσεις στο πεδίο: Παροχή Θερμοκρασία (Τ) Διαλυμένο Οξυγόνο (D.O.) ph Ηλεκτρική Αγωγιμότητα (EC) Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας
Σύστημα συλλογής δεδομένων Αναλύσεις στο εργαστήριο: Βιοχημικά απαιτούμενο οξυγόνο (BOD) Χημικά απαιτούμενο οξυγόνο (COD) TKN Νιτρώδη Νιτρικά Ορθοφωσφορικά Ολικός Φώσφορος Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας
Αποτελέσματα μετρήσεων Παροχή Vosvozis Discharge (m 3 /s) 4 3 2 1 0 01/08/05 31/08/05 30/09/05 GS1 GS2 GS3 [GS2-GS3] 30/10/05 29/11/05 29/12/05 28/01/06 27/02/06 29/03/06 28/04/06 28/05/06 Η παροχή του Βοσβόζη παρουσιάζει εποχιακή διακύμανση με μέγιστες τιμές κατά την υγρή περίοδο (Νοέμβριος-Μάιος). 27/06/06 Οι διαφορές στη ροή μεταξύ της Παραδημής και της Ισμαρίδας αποτελούν δείκτη φόρτισης του υπόγειου υδροφόρου, όταν είναι θετικές. 27/07/06 26/08/06 25/09/06 25/10/06 24/11/06 1,0 0,5 0,0-0,5-1,0 Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας Discharge Difference: GS2-GS3 (m 3 /s)
Τ ( o C) Αποτελέσματα μετρήσεων Θερμοκρασία 30 25 20 15 10 5 0 01/08/05 30/09/05 GS1 GS2 GS3 29/11/05 28/01/06 29/03/06 28/05/06 27/07/06 25/09/06 Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας 24/11/06 Η θερμοκρασία και παρουσιάζει εποχιακή διακύμανση, με τις μέγιστες τιμές να παρατηρούνται τον Ιούλιο και τον Αύγουστο
ph ph 9,5 9,0 8,5 8,0 7,5 7,0 6,5 Αποτελέσματα μετρήσεων 01/08/05 30/09/05 GS1 GS2 GS3 29/11/05 28/01/06 29/03/06 28/05/06 27/07/06 25/09/06 Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας 24/11/06 Το ph δεν παρουσιάζει σημαντικές διαφοροποιήσεις, με τις μέσες τιμές να βρίσκονται στην αλκαλική περιοχή.
DO (mg/l) Αποτελέσματα μετρήσεων Διαλυμένο οξυγόνο 12 10 8 6 4 2 0 01/08/05 30/09/05 GS1 GS2 GS3 29/11/05 28/01/06 29/03/06 28/05/06 27/07/06 25/09/06 Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας 24/11/06 Το διαλυμένο οξυγόνο όπως και η θερμοκρασία παρουσιάζει εποχιακή διακύμανση, με τις μέγιστες τιμές διαλυμένου οξυγόνου να παρουσιάζονται κατά τη διάρκεια των χαμηλών θερμοκρασιών.
EC (μs/cm) Αποτελέσματα μετρήσεων Ηλεκτρική Αγωγιμότητα 1200 1000 800 600 400 200 0 01/08/05 30/09/05 GS1 GS2 GS3 29/11/05 28/01/06 29/03/06 28/05/06 27/07/06 25/09/06 24/11/06 Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας Η αγωγιμότητα είχε την τάση να αυξάνει κατά τους καλοκαιρινούς μήνες και να μειώνεται κατά τη διάρκεια του χειμώνα. Χαμηλότερες τιμές εμφανίζονται στο σταθμό GS1και μεγαλύτερες στο σταθμό GS2.
NOx-N (mg N/L) Αποτελέσματα μετρήσεων Νιτρώδη και Νιτρικά 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 01/08/05 30/09/05 GS1 GS2 GS3 29/11/05 28/01/06 29/03/06 28/05/06 27/07/06 25/09/06 Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας 24/11/06 Η συγκέντρωση των νιτρικών και των νιτρωδών κυμαίνεται από 0,0 έως 3,12 mg/l (αθροιστικά), με τη συγκέντρωση των νιτρικών να είναι 12 φορές μεγαλύτερη από αυτή των νιτρωδών.
NH4-N (mg N/L) Αποτελέσματα μετρήσεων Αμμωνία 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 01/08/05 30/09/05 GS1 GS2 GS3 29/11/05 28/01/06 29/03/06 28/05/06 27/07/06 25/09/06 Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας 24/11/06 Η μεγαλύτερη συγκέντρωση της αμμωνίας μετρήθηκε στο σταθμό GS1.
TKN (mg N/L) ΤΚΝ Αποτελέσματα μετρήσεων 10 8 6 4 2 0 01/08/05 30/09/05 GS1 GS2 GS3 29/11/05 28/01/06 29/03/06 28/05/06 27/07/06 25/09/06 Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας 24/11/06 Δεν παρατηρούνται μεγάλες διαφορές στη συγκέντρωση του ΤΚΝ μεταξύ των σταθμών. Λαμβάνοντας υπόψη και τη συγκέντρωση της αμμωνίας στους τρεις σταθμούς συμπεραίνουμε ότι το μεγαλύτερο ποσοστό του ΤΚΝ (73.9%, 77.4% and 86.3%) βρίσκεται σε οργανική μορφή.
PO4-P (mg P/L) ΟΡ 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Αποτελέσματα μετρήσεων 01/08/05 30/09/05 GS1 GS2 GS3 29/11/05 28/01/06 29/03/06 28/05/06 27/07/06 25/09/06 Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας 24/11/06 Η μέση συγκέντρωση των ορθοφωσφορικών στους τρεις σταθμούς ήταν 0.16, 0.27 και 0.15 mg/l. Η μεγαλύτερη συγκέντρωση μετρήθηκε στο GS2 τον Αύγουστο.
TP (mg P/L) ΤΡ 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Αποτελέσματα μετρήσεων 01/08/05 30/09/05 GS1 GS2 GS3 29/11/05 28/01/06 29/03/06 28/05/06 27/07/06 25/09/06 Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας 24/11/06 Η συγκέντρωση του ολικού φωσφόρου δεν παρουσίασε εποχιακή διακύμανση. Η μεγαλύτερες συγκεντρώσεις μετρήθηκαν στον GS2, πιθανόν λόγω επίδρασης του βιολογικού. Μέση συγκέντρωση 0,29, 0,55, 0,34 (mg P/L) στους σταθμούς GS1, GS2, GS3, αντίστοιχα.
COD (mg/l) 300 250 200 150 100 50 0 01/08/05 Αποτελέσματα μετρήσεων COD και BOD 30/09/05 GS1 GS2 GS3 29/11/05 28/01/06 29/03/06 28/05/06 27/07/06 25/09/06 24/11/06 BOD5 (mg/l) Το COD παρουσίασε εποχιακή διακύμανση με τις μεγαλύτερες τιμές να εμφανίζονται στις αρχές του φθινοπώρου.. Η συγκέντρωση του BOD κυμάνθηκε σε χαμηλά επίπεδα. 60 50 40 30 20 10 Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας 0 01/08/05 30/09/05 GS1 GS2 GS3 29/11/05 28/01/06 29/03/06 28/05/06 27/07/06 25/09/06 24/11/06
Συσχέτιση φορτίων και ροής Σε περίοδο χαμηλής ροής οι σημειακές πηγές έχουν μεγαλύτερη συνεισφορά και σε περίοδο μεγάλης ροής μεγαλύτερη συνεισφορά έχουν οι μη σημειακές πηγές Low flow Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας High flow GS1 GS2 GS3 GS1 GS2 GS3 log(no x -N) 0.395 ** 0.875 ** 0.915 ** 0.862 ** 0.632 ** 0.503 * log(nh 4 -N) 0.828 ** 0.913 ** 0.818 ** 0.372 0.571 * 0.620 log(tkn) 0.988 ** 0.935 ** 0.966 ** 0.917 * 0.817 * 0.367 log(op) 0.860 ** 0.867 ** 0.877 ** 0.698 * 0.547 * 0.387 log(tp) 0.862 ** 0.858 ** 0.973 ** 0.426 0.476 * 0.472 log(cod) 0.965 ** 0.927 ** 0.891 ** -0.002-0.085 0.303 log(bod) 0.809 ** 0.890 ** 0.432 0.352 0.765 ** 0.767 ** : Correlation is significant at the 0.01 level (1-tailed). * : Correlation is significant at the 0.05 level (1-tailed).
Ευτροφισμός Parameter Mean benthic Chla (mg/m 2 ) Suspended Chl-a (μg/l) Oligotrophic (I) Trophic state category Mesotrophic (II) Eutrophic (III) Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας Vosvozis GS1 GS2 GS3 <20 20-70 >70 n/d n/d n/d <10 10-30 >30 n/d n/d n/d TN (μg/l) <700 700-1500 >1500 4338 (III) TP (μg/l) <25 25-75 >75 291 (III) n/d: No data; (I, II or III) : trophic category: Dodds et al., 1998 6162 (III) 554 (III) 5584 (III) 342 (III)
Περιγραφή και εφαρμογή υδρολογικού μοντέλου Αναπτύχθηκε και βαθμονομήθηκε το μοντέλο S.W.A.T. (Soil & Water Assessment Tool). Το μοντέλο S.W.A.T.: Υποστηρίζεται από την Agricultural Research Service (A.R.S.) του U.S. Department of Agriculture (USDA). Δημιουργήθηκε ως εργαλείο για να προβλέπονται οι επιδράσεις των χρήσεων γης και της ανθρώπινης δραστηριότητας που συμβαίνουν σε μια λεκάνη απορροής, στην ποιότητα του νερού (συγκεντρώσεις θρεπτικών Ν, Ρ) και στην ποσότητα των ιζημάτων που παράγονται σ αυτήν. Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας
Εφαρμογή του μοντέλου Αρχική οθόνη Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας
Εφαρμογή του μοντέλου Λεκάνη απορροής Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας
Εφαρμογή του μοντέλου Χρήσεις γης Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας
Εφαρμογή του μοντέλου Χάρτης εδαφών Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας
Εφαρμογή του μοντέλου Υπολεκάνες Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας
Εφαρμογή του μοντέλου Εισαγωγή δεδομένων υπολεκανών Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας
Εφαρμογή του μοντέλου Εισαγωγή παραμέτρων εδαφών Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας
Εφαρμογή του μοντέλου Καθορισμός παραμέτρων προσομοίωσης Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας
Εφαρμογή του μοντέλου Πίνακες αποτελεσμάτων Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας
Rainfall (mm) (a) Εφαρμογή του μοντέλου Μετεωρολογικά δεδομένα από τους σταθμούς: Θερμών Πόρπης Γρατινής 140 120 100 80 60 40 20 0 Mean rainfall Mean temperature J F M A M J J A S O N D 70 60 50 40 30 20 10 0 Air Temperature ( ο C) Rainfall (mm) 140 120 100 80 60 40 20 Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας 0 Mean rainfall Mean temperature (b) J F M A M J J A S O N D 70 60 50 40 30 20 10 0 Air Temperature ( o C)
Εφαρμογή του μοντέλου Βαθμονόμηση Η βαθμονόμηση του μοντέλου πραγματοποιήθηκε για την περίοδο Αύγουστος 2005- Μάιος 2006 χρησιμοποιώντας τις μετρήσεις πεδίου. Σε πρώτη φάση πραγματοποιήθηκε η βαθμονόμηση του μοντέλου για την παροχή και κατόπιν για τα θρεπτικά. Επαλήθευση Η βαθμονόμηση του μοντέλου πραγματοποιήθηκε για την περίοδο Ιούνιος 2006- Νοέμβριος 2006. Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας
Flow (m 3 /s) 15 12 9 6 3 0 01/08/05 Αποτελέσματα βαθμονόμησης Παροχή 31/08/05 30/09/05 30/10/05 29/11/05 GS1 29/12/05 28/01/06 27/02/06 29/03/06 28/04/06 Measured Predicted 28/05/06 27/06/06 Predicted Flow (m 3 /s) 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας y = 1,00x R 2 = 0,72 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Measured Flow (m 3 /s)
Nitrate Nitrogen (kg/d) 600 500 400 300 200 100 0 Αποτελέσματα βαθμονόμησης Νιτρικά 01/08/05 31/08/05 30/09/05 30/10/05 29/11/05 GS1 29/12/05 28/01/06 27/02/06 29/03/06 28/04/06 Measured Predicted 28/05/06 27/06/06 Predicted Nitrate (kg/d) Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας 50 40 30 20 10 0 y = 0,87x R 2 = 0,80 0 10 20 30 40 50 Measured Nitrate (kg/d)
Total Phosphorus (kg/d) 400 300 200 100 Αποτελέσματα βαθμονόμησης ΤΡ 0 01/08/05 31/08/05 Measured Predicted 30/09/05 30/10/05 29/11/05 GS1 29/12/05 28/01/06 27/02/06 29/03/06 28/04/06 28/05/06 27/06/06 Predicted TP (kg/d) Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας 30 25 20 15 10 5 0 y = 1,03x R 2 = 0,67 0 5 10 15 20 25 30 Measured TP (kg/d)
Flow (m 3 /s) 10 8 6 4 2 0 01/07/06 Αποτελέσματα επαλήθευσης Παροχή 16/07/06 Measured Predicted 31/07/06 15/08/06 30/08/06 GS1 14/09/06 29/09/06 14/10/06 29/10/06 13/11/06 28/11/06 Predicted Flow (m 3 /s) 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας y = 1,07x R 2 = 0,98 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Measured Flow (m 3 /s)
Nitrate Nitrogen (kg/d) 600 500 400 300 200 100 0 Αποτελέσματα επαλήθευσης Νιτρικά 01/07/06 16/07/06 Measured Predicted 31/07/06 15/08/06 30/08/06 GS1 14/09/06 29/09/06 14/10/06 29/10/06 13/11/06 28/11/06 Predicted Nitrate (kg/d) Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας 25 20 15 10 5 0 y = 0,95x R 2 = 0,96 0 5 10 15 20 25 Measured Nitrate (kg/d)
Toatal Phosphorus (kg/d) 300 250 200 150 100 50 Αποτελέσματα επαλήθευσης ΤΡ 0 01/07/06 16/07/06 Measured Predicted 31/07/06 15/08/06 GS1 30/08/06 14/09/06 29/09/06 14/10/06 29/10/06 13/11/06 28/11/06 Predicted TP (kg/d) Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας 15 12 9 6 3 0 y = 1,01x R 2 = 0,86 0 3 6 9 12 15 Measured TP (kg/d)
Αποτελέσματα βαθμονόμησηςεπαλήθευσης Station GS 1 GS 2 GS 3 Parameter Flow Calibration Nitrate Nitrogen Total Phosphorus Flow Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας Verification Nitrate Nitrogen Total Phosphorus γ 1.00 0.87 1.03 1.07 0.95 1.01 R 2 0.72 0.80 0.67 0.98 0.96 0.86 NOF 0.64 0.54 0.60 0.22 0.34 0.54 NSE 0.70 0.84 0.70 0.97 0.96 0.81 γ 1.03 1.01 1.09 1.10 0.99 0.90 R 2 0.78 0.70 0.71 0.85 0.86 0.93 NOF 0.45 0.49 0.42 0.40 0.35 0.27 NSE 0.79 0.79 0.72 0.78 0.88 0.91 γ 1.04 1.02 1.02 1.11 1.16 0.84 R 2 0.74 0.66 0.82 0.96 0.97 0.89 NOF 0.35 0.34 0.30 0.18 0.32 0.39 NSE 0.71 0.83 0.86 0.93 0.91 0.89
Έλεγχος εναλλακτικών σεναρίων Το μοντέλο SWAT χρησιμοποιήθηκε για τον έλεγχο εναλλακτικών σεναρίων διαχείρισης της λεκάνης απορροής του ποταμού Βοσβόζη. Δημιουργήθηκαν 9 εναλλακτικά σενάρια: 7 σενάρια αφορούν τη μη σημειακή ρύπανση. 2 σενάρια αφορούν τη σημειακή ρύπανση. Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας
Έλεγχος εναλλακτικών σεναρίων Α. Σενάρια που αφορούν τη μη σημειακή ρύπανση: Η αγροτική απορροή αποτελεί την κυριότερη πηγή μη σημειακής πηγής ρύπανσης στη λεκάνη. Σχεδόν τα 2/3 της λεκάνης του ποταμού Βοσβόζη αποτελούνται από καλλιεργήσιμες εκτάσεις (228,5 km 2 ). Κάθε καλλιέργεια απαιτεί διαφορετικές ποσότητες λιπασμάτων, οπότε μία αλλαγή στις καλλιέργειες έχει άμεσο αντίκτυπο στην ποιότητα των νερών του ποταμού. Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας
Έλεγχος εναλλακτικών σεναρίων Α. Σενάρια που αφορούν τη μη σημειακή ρύπανση: Καλλιέργεια Ολικό Άζωτο (Kg/ha) Ολικός Φώσφορος (Kg/ha) Σιταρι μαλακό 130 15 Σιτάρι σκληρό 130 15 Κριθάρι 100 10 Αραβόσιτος 300 39.24 Καπνός 40 19.62 Βαμβάκι 125 21.8 Ζαχαρότευτλα 500 100 Μηδική 35 47.76 Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας
Έλεγχος εναλλακτικών σεναρίων Α. Σενάρια που αφορούν τη μη σημειακή ρύπανση: 1. Καμία καλλιέργεια 2. Μόνο σιτάρι 3. Μόνο ζαχαρότευτλα 4. Μόνο καπνός 5. Μόνο αραβόσιτος 6. Μόνο κριθάρι 7. Μόνο μηδική Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας
Έλεγχος εναλλακτικών σεναρίων Β. Σενάρια που αφορούν τη σημειακή ρύπανση: Η σημαντικότερη σημειακή πηγή ρύπανσης είναι ο βιολογικός καθαρισμός της πόλης της Κομοτηνής. Για να ελεγχθεί η συνεισφορά της σημειακής αυτής πηγής στα φορτία αζώτου και φωσφόρου που καταλήγουν στο ποτάμι πραγματοποιήθηκαν δύο σενάρια: 1. Βλάβη στο βιολογικό καθαρισμό 2. Απομάκρυνση του βιολογικού καθαρισμού Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας
Έλεγχος εναλλακτικών σεναρίων Όλα τα ανωτέρω σενάρια συγκρίθηκαν με την παρούσα κατάσταση, στην οποία: Το 55% της αγροτικής έκτασης καλύπτεται με καλαμπόκι, το 23% με βαμβάκι, το 10% με καπνά και το υπόλοιπο 12% με ζαχαρότευτλα, αραβόσιτο και μηδική. Η παροχή εξόδου του βιολογικού καθαρισμού είναι 10500 m 3 /d και οι συγκεντρώσεις εξόδου είναι 0.2 mg/l ολικού φωσφόρου και 1.3 mg NO - 3 -N /L. Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας
Αποτελέσματα εναλλακτικών σεναρίων Εναλλακτικό σενάριο Άζωτο νιτρικών Ολικός φωσφόρος διαχείρισης Φορτίο (tn) % αλλαγή Φορτίο (tn) % αλλαγή Υφιστάμενη κατάσταση 362.4 0 232.9 0 Καμία καλλιέργεια 167.6-53.8 75.4-67.6 Μόνο σιτάρι 368.0 1.5 198.0-15.0 Μόνο ζαχαρότευτλα 742.3 104.8 878.1 277.1 Μόνο καπνός 235.8-34.9 217.8-6.5 Μόνο αραβόσιτος 539.8 48.9 392.3 68.4 Μόνο κριθάρι 334.4-7.7 157.5-32.4 Μόνο μηδική 209.6-42.2 419.8 80.3 Βλάβη στο βιολογικό 357.8-1.2 288.8 24.0 Απομάκρυνση του βιολογικού 357.3-1.4 232.1-0.3 Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας
Αποτελέσματα εναλλακτικών σεναρίων Από τα εναλλακτικά σενάρια διαχείρισης προκύπτει ότι: 1. Η ρύπανση με φορτία αζώτου νιτρικών και ολικού φωσφόρου εξαρτάται από το είδος της καλλιέργειας στην αγροτική περιοχή της λεκάνης. 2. Η απομάκρυνση του βιολογικού καθαρισμού προκαλεί μία μικρή μεταβολή στο φορτίο αζώτου νιτρικών (-1,4%) και στο φορτίο ολικού φωσφόρου (-0,3%). Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας
Αποτελέσματα εναλλακτικών σεναρίων 3. Οι μη σημειακές πηγές ρύπανσης παίζουν πολύ σημαντικότερο ρόλο στη ρύπανση του ποταμού Βοσβόζη, σε σχέση με τις σημειακές πηγές ρύπανσης. 4. Το γεγονός αυτό κάνει δυσκολότερη την αντιμετώπιση της ρύπανσης Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας
Συμπεράσματα Από την παρακολούθηση του ποταμού προκύπτει ότι: Η διαφορά παροχών μεταξύ Παραδημής- Ισμαρίδας αποτελεί ένδειξη για εμπλουτισμό του υπόγειου υδροφορέα. Οι σποραδικά υψηλές τιμές θρεπτικών, αγωγιμότητας και BOD φανερώνουν ότι οι ανθρώπινες δραστηριότητες επηρεάζουν σε σημαντικό βαθμό την ποιότητα των νερών του ποταμού. Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας
Συμπεράσματα Από τη μοντελοποίηση της περιοχής μελέτης προκύπτει ότι: το βαθμονομημένο μοντέλο SWAT προσομοιώνει με επιτυχία τις φυσικές διεργασίες που πραγματοποιούνται στη λεκάνη του ποταμού Βοσβόζη και κρίνεται ικανό να εξετάσει και να αξιολογήσει διαφορετικά σενάρια που αφορούν διάφορες πρακτικές διαχείρισης στη λεκάνη. Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας
Συμπεράσματα Από τον έλεγχο των εναλλακτικών σεναρίων διαχείρισης προκύπτει ότι: Η μη σημειακή ρύπανση ασκεί πολύ σημαντικότερη επίδραση στο σύστημα του ποταμού, σε σχέση με τη σημειακή ρύπανση. Η ρύπανση με φορτία αζώτου νιτρικών και ολικού φωσφόρου εξαρτάται από το είδος της καλλιέργειας στην αγροτική περιοχή της λεκάνης και τις απαιτήσεις σε λιπάσματα της κάθε καλλιέργειας. Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας
Γενικά Συμπεράσματα Ο ποταμός Βοσβόζης δέχεται ανθρωπογενείς επιδράσεις οι οποίες έχουν άμεση επίπτωση στην ποιότητα των νερών του ποταμού και κατ επέκταση στο οικοσύστημα της λίμνης Ισμαρίδας. Το γεγονός αυτό κάνει ιδιαίτερα σημαντική την συνεχή παρακολούθηση του ποταμού και τον περιορισμό της ρύπανσης, ώστε να προστατευθεί και να διατηρηθεί το οικοσύστημα αυτό. Το μοντέλο που αναπτύχθηκε στην παρούσα εργασία έχει τη δυνατότητα να ελέγχει και να προβλέπει με ικανοποιητική ακρίβεια τις φυσικοχημικές διεργασίες του ποταμού Βοσβόζη. Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας
Προτάσεις Η μη σημειακή πηγή ρύπανσης, που οφείλεται στην αγροτική απορροή, θα μπορούσε να αντιμετωπισθεί με την υιοθέτηση Μεθόδων Βέλτιστης Διαχείρισης. Αυτές οι Μέθοδοι περιλαμβάνουν μέτρα για τον περιορισμό των ρύπων που καταλήγουν στους υδατικούς αποδέκτες που μπορεί να είναι: κατασκευαστικά και μη κατασκευαστικά Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας
Προτάσεις Κατασκευαστικά μέτρα: Φίλτρα από γρασίδι. Τεχνητοί υγροβιότοποι. Μη κατασκευαστικά μέτρα: Εκπαίδευση των γεωργών σε νέες πρακτικές καλλιέργειας. Επιλογή νέων καλλιεργειών με μικρότερες απαιτήσεις λιπασμάτων και νερού. Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής και Τεχνολογίας
ΕΥΧΑΡΙΣΤΩ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΟΧΗ ΣΑΣ