ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΑΓΡΟΝΟΜΩΝ ΚΑΙ ΤΟΠΟΓΡΑΦΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΕΡΓΩΝ ΥΠΟΔΟΜΗΣ ΚΑΙ ΑΓΡΟΤΙΚΗΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΓΓΕΙΟΒΕΛΤΙΩΤΙΚΩΝ ΕΡΓΩΝ ΚΑΙ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ Καπερώνης Ι. Σπυρίδων, Βασίλειος Α. Τσιχριντζής
1.Εισαγωγή Ρύπανση Υδάτων Μοντέλα Υδρολογικής Προσομοίωσης 2.Το μοντέλο SWAT 3.Περιοχή Μελέτης 4.Εφαρμογή Μοντέλου 5.Αποτελέσματα 6.Εναλλακτικές Πρακτικές Διαχείρισης 7.Συμπεράσματα
Σημειακές Πηγές (Εντοπισμένα Σημεία) Μη Σημειακές Πηγές (Διάσπαρτες Πηγές σε Μεγάλες Εκτάσεις Ρύπανση Υδάτων Υγεία των οργανισμών και των οικοσυστημάτων
Καθοριστικό ρόλο στη παραγωγή ρύπων διαδραματίζουν οι διάφορες χρήσεις γης. Αγροτικές Χρήσεις Γης Καλλιέργειες: Λιπάσματα πλούσια σε άζωτο και φώσφορο, Φυτοφάρμακα, Άλατα, Ιζήματα Ζωική παραγωγή: Θρεπτικά συστατικά, Οργανικά και ορυκτά ιζήματα, Άλατα, Παθογόνοι Μικροοργανισμοί Αστικές Χρήσεις Γης: Ιπτάμενη τέφρα και σκόνη από βιομηχανική δραστηριότητα Σκόνη καύσης οργανικών καυσίμων Στερεά απόβλητα από τους δρόμους Απορρίμματα
Ιστορική αναδρομή μαθηματικών μοντέλων υδρολογικής προσομοίωσης 1925 195 196-197 197-198 198-199 199-2 SWAT Δημιουργία μοντέλου με εξισώσεις Streeter-Phelps Δημιουργία SCS Curve Number Model Stanford Watershed Model USLE Βασική αρχή λειτουργίας μοντέλων CREAMS HSPF AGNPS MONERIS Εισαγωγή Δεδομένων Προσομοίωση Εξαγωγή Αποτελεσμάτων Βαθμονόμηση
Εισαγωγή Δεδομένων Προσομοίωση Εξαγωγή Αποτελεσμάτων Βαθμονόμηση Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους Χρήσεις Γης Δεδομένα Εδάφους Χρονοσειρές Υδρολογικών Μεγεθών Προσομοίωση κλίματος Προσομοίωση Υδρολογικών Διεργασιών Προσομοίωση παραγωγής και μεταφοράς φερτών και θρεπτικών Προσομοίωση καλλιεργειών Έξοδο Λεκάνης Α. Υδατόρεμα Υπο-λεκάνη HRU Παράμετροι
Σχηματοποίηση Λεκάνης Απορροής (Watershed Delineation) Καθορισμός Μονάδων Υδρολογικής Απόκρισης (HRU Analysis) Διαμόρφωση Βάσεων Δεδομένων Προγράμματος (Write Input Tables) Επεξεργασία Παραμέτρων (Edit SWAT Input) Εκτέλεση Προσομοίωσης (Run SWAT) Ανάγνωση Αποτελεσμάτων (Read SWAT Output) Βαθμονόμηση (Calibration)
Νομός: Αχαΐας Υδατικό Διαμέρισμα: ΥΔ2 -GR27 Έκταση: 28,27 km 2 Περίμετρος: 47 km Υψόμετρα H min : m H max : 1618 m
Σταθμός Υψόμετρο (m) Χρονική Περίοδος ΕΞΩ ΑΓΥΙΑ 32 21-216 ΡΙΟ 2 21-216 ΚΑΣΤΡΙΤΣΙ 511 213-216 ΠΑΝΑΧΑΙΚΟ 1588 213-216 ΠΑΝΑΓΟΠΟΥΛΑ 15 215-216
Μέσες τιμές Βροχόπτωσης Μέσες τιμές Θερμοκρασίας Μέση βροχόπτωση Σταθμού Έξω Αγιά (mm) Θερμοκρασίες Σταθμού Έξω Αγιάς ( ο C) 14 Μέση βροχόπτωση Σταθμού Ρίο (mm) 35 3 Θερμοκρασίες Σταθμoύ Ρίου ( ο C) 12 12 1 1 8 25 6 8 2 4 6 15 3 2 4 25 1 2 16 2 14 15 12 1 8 5 6 4 2 Μέση βροχόπτωση Σταθμού Καστρίτσι(mm) Μέση βροχόπτωση Σταθμού Μέση βροχόπτωση Παναχαϊκό(mm) Σταθμού Παναγοπούλα (mm) Ιαν Φεβ Μαρ Απρ Μαι Ιουν Ιουλ Αυγ Σεπ Οκτ Νοε Δεκ Ιαν Φεβ Μαρ Απρ Μαι Ιουν Ιουλ Αυγ Σεπ Οκτ Νοε Δεκ Ιαν Φεβ Μαρ Απρ Μαι Ιουν Ιουλ Αυγ Σεπ Οκτ Νοε Δεκ Ιαν Φεβ Μαρ Απρ Μαι Ιουν Ιουλ Αυγ Σεπ Οκτ Νοε Δεκ Ιαν Φεβ Μαρ Απρ Μαι Ιουν Ιουλ Αυγ Σεπ Οκτ Νοε Δεκ 25 2 35 15 3 25 1 35 2 35 15 25 1 25 2 25 15 15 1 4 1 5 3 5 2 1-5 Θερμοκρασίες Σταθμού Καστρίτσι ( ο C) Θερμοκρασίες Σταθμού Παναχαϊκό ( ο C) Θερμοκρασίες Σταθμού Παναγοπούλα ( ο C) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 Απόλυτη μέγιστη θερμοκρασία Απόλυτη μέση θερμοκρασία 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 Απόλυτη ελάχιστη θερμοκρασία Απόλυτη μέγιστη θερμοκρασία Απόλυτη μέση θερμοκρασία 1 2 Απόλυτη 3 ελάχιστη 4 5 θερμοκρασία 6 7 8 9 1 11 12 1 2 Απόλυτη μέγιστη θερμοκρασία 3 4 5 6 Απόλυτη μέση θερμοκρασία 7 8 9 1 11 12 Απόλυτη ελάχιστη θερμοκρασία Απόλυτη μέγιστη θερμοκρασία Απόλυτη μέση θερμοκρασία 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 Απόλυτη ελάχιστη θερμοκρασία Απόλυτη μέγιστη θερμοκρασία Απόλυτη μέση θερμοκρασία Απόλυτη ελάχιστη θερμοκρασία
Κωδικός Περιγραφή 112 Ασυνεχής αστικός ιστός 222 Οπωροφόρα δένδρα και φυτείες με σαρκώδεις καρπούς 223 Ελαιώνες 242 Σύνθετες καλλιέργειες 243 Γεωργική γη και τμήματα φυσικής βλάστησης 313 Μικτό δάσος 321 Φυσικοί βοσκότοποι 322 Θάμνοι και χερσότοποι 323 Σκληροφυλλική βλάστηση 324 Μεταβατικές δασώδεις και θαμνώδεις εκτάσεις 331 Παραλίες, αμμόλοφοι, Αμμουδιές 333 Εκτάσεις με αραιή βλάστηση
Σχηματοποίηση Λεκάνης Απορροής (Watershed Delineation) Δεδομένα: Ψηφιακό μοντέλο εδάφους Αποτέλεσμα διαδικασίας: Σχηματοποίηση της λεκάνης Χωρισμός της σε υπολεκάνες Δημιουργία υδρογραφικού δικτύου
Καθορισμός Μονάδων Υδρολογικής Απόκρισης (HRU Analysis) Χρήσεις Γης Corine Land Cover SWAT Κωδ. Περιγραφή Κωδ. Περιγραφή 112 Αστικός ιστός URML Residential (low) 222 Οπωροφόρα AGRL Agriculture Land 223 Ελαιώνες FRSD Forest Desiduous Δεδομένα: Χρήσεις Γης Corine Land Cover Εδάφη από ESDB Αποτέλεσμα διαδικασίας: Δημιουργία υποβάθρων για χρήσεις γης, εδάφη, κλίσεις εδάφους Δημιουργία και διαχωρισμός λεκάνης σε hru 242 Σύνθετες καλλιέργειες GRAP Grapes 243 Γεωργική γη AGRL Agriculture Land 313 Μικτό δάσος FRST Forest mixed 321 Βοσκότοποι PAST Patrure 322 Θάμνοι RNGE Range-Grasses 323 Σκλ. Βλάστηση FRST Forest mixed 324 Θαμνώδεις εκτάσεις RNGE Range-Grasses 331 Αμμόλοφοι BERM Bermuda 333 Αραιή βλάστηση BERM Bermuda
Καθορισμός Μονάδων Υδρολογικής Απόκρισης (HRU Analysis) Δεδομένα Εδάφους Δεδομένα: Χρήσεις Γης Corine Land Cover Εδάφη από ESDB Αποτέλεσμα διαδικασίας: Δημιουργία υποβάθρων για χρήσεις γης, εδάφη, κλίσεις εδάφους Δημιουργία και διαχωρισμός λεκάνης σε hru
Καθορισμός Μονάδων Υδρολογικής Απόκρισης (HRU Analysis) Κλίσεις εδάφους Κατηγορίες -1% 1-2% 2-4% >4% Δεδομένα: Χρήσεις Γης Corine Land Cover Εδάφη από ESDB Αποτέλεσμα διαδικασίας: Δημιουργία υποβάθρων για χρήσεις γης, εδάφη, κλίσεις εδάφους Δημιουργία και διαχωρισμός λεκάνης σε hru
Καθορισμός Μονάδων Υδρολογικής Απόκρισης (HRU Analysis) Δημιουργία HRU Ποσοστά επιρροής Χρήσεις Γης: 1% Εδάφη: 1% Κλίσεις εδάφους: 1% Δεδομένα: Χρήσεις Γης Corine Land Cover Εδάφη από ESDB Αποτέλεσμα διαδικασίας: Δημιουργία υποβάθρων για χρήσεις γης, εδάφη, κλίσεις εδάφους Δημιουργία και διαχωρισμός λεκάνης σε HRU
Διαμόρφωση Βάσεων Δεδομένων Προγράμματος (Write Input Tables) Εκτέλεση Προσομοίωσης (Run SWAT) Δεδομένα: Μετεωρολογικά Δεδομένα Αποτέλεσμα διαδικασίας: Κατασκευή αρχείου Weather Generator Εισαγωγή δεδομένων καιρού Συγγραφή βάσεων δεδομένων Γίνεται επιλογή για: Χρονικό διάστημα προσομοίωσης Χρονικό βήμα προσομοίωσης Χρονικό διάστημα για «ζέσταμα» Εξαγόμενα αρχεία
Βαθμονόμηση (Calibration) Διαδικασία: Εναλλαγή τιμών παραμέτρων σε συνδυασμό με διαδοχικές προσομοιώσεις Αποτέλεσμα διαδικασίας: Βελτιστοποίηση αποτελεσμάτων προσομοίωσης Παράμετροι στις οποίες δόθηκαν διαφορετικές τιμές Για την απορροή Αριθμός καμπύλης CN SOL_AWC ALPHA_BF GW_DELAY GW_REVAP RCHRG_DP REVAPMN GWQMN ESCO EPCO Για τα θρεπτικά N_PERCO N_UPDIS CDN P_PERCO P_UPDIS Για τα φερτά υλικά PRF ADJ_PKR USLE_P
Απορροή Ανάγνωση Αποτελεσμάτων (Read SWAT Output) 8 6 4 2 1/1/14 3/1/14 5/1/14 7/1/14 9/1/14 Απορροή (m 3 /s) 11/1/14 1/1/15 3/1/15 5/1/15 7/1/15 9/1/15 11/1/15 1/1/16 3/1/16 5/1/16 Ημερομηνία Εξεταζόμενα Μεγέθη: Απορροή Ποσότητα Αζώτου Ποσότητα Νιτρικών αλάτων Ποσότητα Φωσφόρου Ποσότητα Φερτών Υλικών Ποσότητα Νιτρικών αλάτων (kg/day) 1 8 6 4 2 Συνολική ποσότητα Νιτρικών Αλάτων 1/1/14 3/1/14 5/1/14 7/1/14 9/1/14 11/1/14 1/1/15 3/1/15 5/1/15 7/1/15 9/1/15 11/1/15 1/1/16 3/1/16 5/1/16 Ημερομηνία
Ποσότητα αζώτου (kg/day) 15 1 5 Συνολικη ποσότητα Αζώτου 1/1/14 3/1/14 5/1/14 7/1/14 9/1/14 11/1/14 1/1/15 3/1/15 5/1/15 7/1/15 9/1/15 11/1/15 1/1/16 3/1/16 5/1/16 Ημερομηνία Ποσότητα Φωσφόρου (kg/day) 35 3 25 2 15 1 5 Συνολική ποσότητα Φωσφόρου 1/1/14 3/1/14 5/1/14 7/1/14 9/1/14 11/1/14 1/1/15 3/1/15 5/1/15 7/1/15 9/1/15 11/1/15 1/1/16 3/1/16 5/1/16 Ημερομηνία Φερτά Υλικά (tons/year) 4 3 2 1 Συνολική ποσότητα Φερτών Υλικών 1/1/14 3/1/14 5/1/14 7/1/14 9/1/14 11/1/14 1/1/15 3/1/15 5/1/15 7/1/15 9/1/15 11/1/15 1/1/16 3/1/16 Ημερομηνία 5/1/16
Συνολικό Άζωτο (kg/year) 25 2 15 1 5 Σενάριο 1-Ετήσια ποσότητα Αζώτου 214 215 216 2151 369 2827 Σενάριο 1 2134 337 2773 Συνολικός Φώσφορος (kg/year) 5 4 3 2 1 Σενάριο 1 - Ετήσια ποσότητα Φωσφόρου 214 215 216 3922 49,1 473,2 Σενάριο 1 394 45,2 465,6 Φερτά υλικά (tons/year) Σενάριο 1 - Ετήσια ποσότητα φερτών υλικών 12 1 8 6 4 2 214 215 216 143 25,4 179,7 Σενάριο 1 144 25,5 179,9 Απορροή (m 3 ) 1 8 6 4 2 Σενάριο 1 - Απορροή 214 215 216 845273 255928 356767 Σενάριο 1 833965 246316,51 348851,8
Συνολικό Άζωτο (kg/year) Σενάριο 2 - Ετήσια ποσότητα Αζώτου 25 2 15 1 5 214 215 216 2151 369 2827 Σενάριο 2 1728 2614 2215 Συνολικός Φώσφορος (kg/year) 5 4 3 2 1 Σενάριο 2 - Ετήσια ποσότητα Φωσφόρου 214 215 216 3922 49,1 473,2 Σενάριο 2 2983 29,1 39,6 Φερτά Υλικά (tons/year) Σενάριο 2 - Ετήσια ποσότητα Φερτών Υλικών 12 1 8 6 4 2 214 215 216 143 25,4 179,7 Σενάριο 2 17 25,9 18,3 Απορροή (m 3 ) 1 8 6 4 2 Σενάριο 2 - Απορροή 214 215 216 845273 255928 356767 Σενάριο 2 83595,8 246316,51 348569,1
Συνολικό Άζωτο (kg/day) 1 5 Σενάριο 3 - Ετήσια ποσότητα Αζώτου 25 2 15 214 215 216 2151 369 2827 Σενάριο 3 1622 2638 2293 Συνολικός Φώσφορος (kg/year) 5 4 3 2 1 Σενάριο 3 - Ετήσια ποσότητα Φωσφόρου 214 215 216 3922 49,1 473,2 Σενάριο 3 2746 294,6 335,6 Φερτά Υλικά (tons/year) Σενάριο 3 - Ετήσια ποσότητα Φερτών Υλικών 12 1 8 6 4 2 214 215 216 143 25,4 179,7 Σενάριο 3 969,2 25,7 179,3 Απορροή (m 3 ) 1 8 6 4 2 Σενάριο 3 - Απορροή 214 215 216 845273 255928 356767 Σενάριο 3 833965 246542,67 347721
Συνολικό Άζωτο (kg/year) 25 2 15 1 5 Σενάριο 4 - Ετήσια ποσότητα Αζώτου 214 215 216 2151 369 2827 Σενάριο 4 961 2285 2188 Συνολικός Φώσφορος (kg/year) 5 4 3 2 1 Σενάριο 4 - Συνολική ποσότητα Φωσφόρου 214 215 216 3922 49,1 473,2 Σενάριο 4 1412 174,6 261,7 Σενάριο 4 - Ετήσια ποσότητα Φερτών Υλικών Φερτά Υλικά (tons/year) 12 1 8 6 4 2 214 215 216 143 25,4 179,7 Σενάριο 4 785,7 25,5 177,7 Απορροή (m 3 ) 1 8 6 4 2 Σενάριο 4 - Απορροή 214 215 216 845273 255928 356767 Σενάριο 4 833399,6 246627,48 345459,4
Συνολικό Άζωτο (kg/year) Σενάριο 5 - Ετήσια ποσότητα Αζώτου 25 2 15 1 5 214 215 216 2151 369 2827 Σενάριο 5 8737 1963 1594 Συνολικός Φώσφορος (kg/year) 5 4 3 2 1 Σενάριο 5 - Ετήσια ποσότητα Φωσφόρου 214 215 216 3922 49,1 473,2 Σενάριο 5 1341 149,7 153,3 Φερτά Υλικά (tons/year) Σενάριο 5 - Ετήσια ποσότητα Φερτών Υλικών 12 1 8 6 4 2 214 215 216 143 25,4 179,7 Σενάριο 5 764,5 251,2 179 Απορροή (m 3 ) 1 8 6 4 2 Σενάριο 5 - Απορροή 214 215 216 845273 255928 356767 Σενάριο 5 834813,1 24779,8 347438,3
Συνολικό Άζωτο (kg/year) Σενάριο 6 - Ετήσια ποσότητα Αζώτου 25 2 15 1 5 214 215 216 2151 369 2827 Σενάριο 6 938 2194 1826 Συνολικός Φώσφορος (kg/year) 5 4 3 2 1 Σενάριο 6 - Ετήσια ποσότητα Φωσφόρου 214 215 216 3922 49,1 473,2 Σενάριο 6 1376 159,7 187,3 Φερτά Υλικά (tons/year) Σενάριο 6 - Ετήσια ποσότητα Φερτών Υλικών 12 1 8 6 4 2 214 215 216 143 25,4 179,7 Σενάριο 6 774,6 25,6 178 Απορροή (m 3 ) 1 8 6 4 2 Σενάριο 6 - Απορροή 214 215 216 845273 255928 356767 Σενάριο 5 833682,3 246655,75 34624,8
Συνολικό Άζωτο (kg/year) Σενάριο 7 - Ετήσια ποσότητα Αζώτου 25 2 15 1 5 214 215 216 2151 369 2827 Σενάριο 7 215 2791 239 Συνολικός Φώσφορος (kg/year) 5 4 3 2 1 Σενάριο 7 - Ετήσια ποσότητα Φωσφόρου 214 215 216 3922 49,1 473,2 Σενάριο 7 2275 234,8 273,2 Φερτά Υλικά (tons/year) Σενάριο 7 - Ετήσια ποσότητα Φερτών Υλικών 12 1 8 6 4 2 214 215 216 143 25,4 179,7 Σενάριο 7 91,6 25,6 179,1 Απορροή (m 3 ) 1 8 6 4 2 Σενάριο 7 - Απορροή 214 215 216 845273 255928 356767 Σενάριο 7 835661,2 24751,53 347438,3
Τα αποτελέσματα που έδωσε το μοντέλο είναι ρεαλιστικά, όπως προκύπτει ύστερα από σύγκριση με πραγματικές τιμές γειτονικού ποταμού (Χάραδρος), με αποκλίσεις έως και,3 % Οι παράμετροι που επηρεάζουν περισσότερο την απορροή είναι: η βροχόπτωση, το CN II καθώς και η διαθέσιμη εδαφική υγρασία Υπάρχει άμεση εξάρτηση μεταξύ της απορροής και της παραγωγής ρύπων Το είδος των καλλιεργειών μπορεί να μεταβάλλει την παραγωγή ρύπων, σε ποσοστά έως 6 % Μετά την εφαρμογή 7 εναλλακτικών σεναρίων πρακτικών διαχείρισης προέκυψε ότι από τις υπάρχουσες καλλιέργειες της περιοχής, περισσότερο ρυπογόνες είναι τα αμπέλια, ακολουθούν οι ελιές και τέλος οι λεμονιές
Αξιολόγηση μοντέλου SWAT Περιορίζει σημαντικά το χρόνο εργασίας Αυξάνει τις δυνατότητες του χρήστη στην προσομοίωση λεκανών απορροής (επιλογή μεθόδων υπολογισμού μεγεθών, εύκολη επεξεργασία δεδομένων) Επιτρέπει τον έλεγχο των αποτελεσμάτων σε πολλά σημεία της λεκάνης Λεπτομερής συλλογή και επεξεργασία δεδομένων Η εφαρμογή του εκτός Αμερικής, αποτελεί διαδικασία περισσότερων βημάτων Χρήση διαφορετικού συστήματος μονάδων μεταξύ αρχείων αποτελεσμάτων και επίσημου εγχειριδίου χρήσης Δυνατότητα εφαρμογής εναλλακτικών σεναρίων
Σας ευχαριστώ πολύ για την προσοχή σας! 5o Πανελλήνιο Συνέδριο Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών, 14-15 Οκτώβρη 217
Συγκεντρωτικά διαγράμματα ρύπων για κάθε σενάριο Ποσότητα Αζώτου (kg/έτος) 25 2 15 1 5 Παραγόμενες ποσότητες Αζώτου ανά σενάριο 214 215 216 Ποσότητα Φωσφόρου (kg/έτος) 5 4 3 2 1 Παραγώμενες ποσότητες Φωσφόρου ανά σενάριο 214 215 216 Σενάριο Σενάριο Παραγώμενες ποσότητες Φερτών υλικών ανά σενάριο Ποσότητα Φερτών υλικών (tons/έτος) 12 1 8 6 4 2 214 215 216 Σενάριο
Ποσότητες βροχόπτωσης ανά έτος Ετήσιες Απορροές 18 9 Βροχόπτωση (mm/έτος) 16 14 12 1 8 6 4 2 213 214 215 216 Έτος Μετεωρολογικός Σταθμός Ρίο Μετεωρολογικός Σταθμός Έξω Αγιά Μετεωρολογικός Σταθμός Παναχαϊκό Μετεωρολογικός Σταθμός Καστρίτσι Απορροή (m3/έτος) 8 7 6 5 4 3 2 1 214 215 216 Έτος