Προσομοίωση και διαχείριση υποβαθμισμένων υδατικών πόρων παράκτιων λεκανών απορροής
Authors: Λύρα Αικατερίνη 
Published: September 2023

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή επικεντρώνεται στην Προσομοίωση και Διαχείριση Υποβαθμισμένων Υδατικών Πόρων Παράκτιων Λεκανών Απορροής. Αντικείμενο έρευνας είναι η προσομοίωση της ποσοτικής και ποιοτικής υποβαθμισμένης κατάστασης των παράκτιων υδατικών πόρων σε αγροτικές Λεκάνες Απορροής Ποταμών, και η χρηστή διαχείριση τους σε συνθήκες κλιματικής αλλαγής με απώτερους στόχους τη βελτίωση ή/και αναστροφή των φαινομένων ποσοτικής και ποιοτικής υποβάθμισης, την προσαρμογή της διαχείρισης των παράκτιων υδατικών πόρων στην κλιματική αλλαγή και τον προσδιορισμό της προσπίπτουσας αβεβαιότητας της κλιματικής αλλαγής στους παράκτιους υδατικούς πόρους. Η μεθοδολογία προσέγγισης βασίζεται α) στην ανάπτυξη ενός Ολοκληρωμένου Συστήματος Προσομοίωσης (ΟΣΠ) της αλμυρής σφήνας και της νιτρορύπανσης για παράκτιες και αγροτικές Λεκάνες Απορροής Ποταμών, β) στο σχεδιασμό, στην εφαρμογή και στην αποτίμηση των επιπτώσεων σεναρίων άρδευσης και αγρονομικής λίπανσης στους υδατικούς πόρους, γ) στο σχεδιασμό σεναρίων ταμίευσης υδάτων για την κάλυψη των υδατικών αναγκών, δ) στην προσομοίωση της μελλοντικής κατάστασης των υδατικών πόρων για κάθε διαχειριστικό σενάριο ε) στον προσδιορισμό της μεταβολής των συνιστωσών του υδρολογικού κύκλου στο μέλλον σύμφωνα με τα κλιματικά μοντέλα και σενάρια προβολής του μελλοντικού κλίματος και στ) στον προσδιορισμό της αβεβαιότητας που υπεισέρχεται στην προσομοίωση και τη διαχείριση των υδατικών πόρων λόγω αβεβαιοτήτων στην προσομοίωση του μελλοντικού μεταβαλλόμενου κλίματος. Το Ολοκληρωμένο Σύστημα Προσομοίωσης (ΟΣΠ) διαρθρώνεται από τα συζευγμένα μοντέλα επιφανειακής υδρολογίας, UTHBAL, λειτουργίας ταμιευτήρα, UTHRL, υπόγειας υδρολογίας, MODFLOW, έκπλυσης νιτρικών/απόδοσης καλλιεργειών, REPIC (EPIC σε καινοτόμα διεπιφάνεια χρήστη με το R-ArcGIS), κίνησης και διασποράς νιτρικών ιόντων, MT3DMS, θαλάσσιας διείσδυσης/υφαλμύρισης, SEAWAT. Επίσης, χρησιμοποιούνται αποτελέσματα από μοντέλα παγκόσμιας (Global Circulation Models-GCMs) και περιοχικής (Regional Circulation Models) ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας από τη βάση δεδομένων κλιματικών μοντέλων Med-CORDEX με εφαρμογή τεχνικών Στατιστικού Καταβιβασμού/Διόρθωσης Μεροληψίας. Ειδικότερα, στο πλαίσιο της έρευνας τα μοντέλα επιφανειακής υδρολογίας, UTHBAL, και λειτουργίας ταμιευτήρα, UTHRL, αποτελούν ένα υπό-σύστημα λεκανών και ταμιευτήρων απόληψης νερού για άρδευση το οποίο βελτιστοποιήθηκε να υπολογίζει την έκταση και το είδος καλλιέργειας ανάλογα το διαθέσιμο αποθηκευμένο όγκο νερού με σκοπό το σχεδιασμό αρδευτικών δικτύων. Στο πλαίσιο της έρευνας αναπτύχθηκε και το διανεμημένο μοντέλο REPIC, το οποίο είναι μια διεπιφάνεια χρήστη σε γλώσσα προγραμματισμού R ή/και σε περιβάλλον ArcGIS Pro με το αγρό-υδρολογικό-αγρονομικό μοντέλο EPIC (Environmental Policy Integrated Climate model).Η αξιολόγηση της προσομοιωμένης κατάστασης των παράκτιων υδατικών πόρων πραγματοποιείται με τον προσδιορισμό των μεταβλητών του υετού, της θερμοκρασίας, της επιφανειακής απορροής, της υπόγειας κατείσδυσης, της υπόγειας στάθμης, της έκπλυσης νιτρικών ιόντων από τη χρήση λιπασμάτων, της νιτρορύπανσης, της υφαλμύρισης. Η απόδοση των σεναρίων άρδευσης και λίπανσης αποτιμάται με τους δείκτες Καλλιεργητικής Παραγωγικότητας Νερού (αγγλ. Crop Water Productivity, CWP)), Οικονομικής Παραγωγικότητας Νερού (αγγλ. Economic Water Productivity, EWP)), Αποδοτικότητας Χρήσης Αζώτου (αγγλ. Nitrogen Use Efficiency, NUE), και Τυπικού Δείκτη Επικινδυνότητας Χλωριόντων (αγγλ. Standardized Chloride Hazard Index, SCHI). Το σύστημα εφαρμόζεται στην παράκτια λεκάνη απορροής του Αλμυρού, η οποία αποτελεί ένα σύστημα υδατικών πόρων με εντατική γεωργική/αρδευτική δραστηριότητα στην παράκτια Θεσσαλία και σημαντικά και σοβαρά προβλήματα ποσοτικής και ποιοτικής υποβάθμισης του παράκτιου υδροφορέα λόγω ανθρωπογενών παρεμβάσεων. To αποτέλεσμα είναι η σημαντική πτώση του υδροφόρου ορίζοντα, η νιτρορύπανση και η θαλάσσια διείσδυση/ υφαλμύριση του υδροφορέα. Η ιστορική, υπάρχουσα και μελλοντική κατάσταση των υποβαθμισμένων υδατικών πόρων μελετάται με το Ολοκληρωμένο Σύστημα Προσομοίωσης για διάφορα διαχειριστικά σενάρια της ζήτησης νερού, του υδατικού δυναμικού και διαφορετικών σεναρίων που απεικονίζουν την κλιματική αλλαγή και μεταβλητότητα. Τα σενάρια διαχείρισης των υδατικών πόρων αφορούν τόσο τη διαχείριση του υδατικού δυναμικού όσο και τη διαχείριση της ζήτησης νερού κύρια για την άρδευση. Τα σενάρια που εξετάζονται αφορούν τη γεωργική χρήση επιφανειακού νερού με την ανάπτυξη έργων αποθήκευσης νερού (διαχείριση του υδατικού δυναμικού), την ελλειμματική άρδευση (διαχείριση της ζήτησης νερού), τις ξηρικές καλλιέργειες (διαχείριση της ζήτησης νερού), τη μείωση χρήσης αζωτούχων λιπασμάτων (διαχείριση ποιότητας), με στόχο τη βέλτιστη διαχείριση υδατικών πόρων για την ποσοτική και ποιοτική ανάταξη του υπόγειου υδροφορέα. Για την προσομοίωση των υδατικών πόρων απαιτούνται πολλά δεδομένα και μετρήσεις υδρολογικών και ποιοτικών μεταβλητών, τα οποία ιδανικά εκτείνονται σε βάθος χρόνων και δεκαετιών, και χρησιμοποιούνται για την προσομοίωση, ρύθμιση και την πιστοποίηση της αποτελεσματικής αναπαράστασης των υδατικών πόρων από τα μοντέλα του Ολοκληρωμένου Σύστηματος Προσομοίωσης (ΟΣΠ). Μετρήσεις υετόπτωσης και θερμοκρασίας, υπόγειας στάθμης, περιεκτικότητας νιτρικών και χλωριούχων ιόντων είναι στοιχεία απαραίτητα. Χωρικά δεδομένα χρήσεων γης και είδους καλλιέργειας είναι χρήσιμα για τον προσδιορισμό των αρδευτικών αναγκών και της αγρονομικής λίπανσης, ενώ γεωγραφικά δεδομένα τοποθεσιών γεωτρήσεων παρατήρησης και άντλησης υπόγειων υδάτων καθώς και υδρογεωλογικά δεδομένα είναι χρήσιμα για τη σωστή προσομοίωση και ρύθμιση/πιστοποίηση του συστήματος για αξιόπιστα αποτελέσματα. Η συλλογή και ανάκτηση των βάσεων δεδομένων και των διαθέσιμων πληροφοριών για την εφαρμογή του Ολοκληρωμένου Σύστηματος Προσομοίωσης (ΟΣΠ) πραγματοποιήθηκε και με τη βιβλιογραφική ανασκόπηση προηγούμενων μελετών αλλά και από ποικίλους ευρωπαϊκούς και δημόσιους ελληνικούς οργανισμούς και ιδιώτες. Κλιματικά δεδομένα υετόπτωσης και θερμοκρασίας παρήχθησαν από την Ελληνική Μετεωρολογική Υπηρεσία (Ε.Μ.Υ.), ανακτήθηκαν από το Meteo.gr, και από ιδιωτικούς μετεωρολογικούς σταθμούς στην ευρύτερη περιοχή Αλμυρού και Μαγνησίας τα οποία επεξεργάστηκαν και ομογενοποιήθηκαν. Χωρικά δεδομένα χρήσεων γης και απόδοσης καλλιεργειών παρήχθησαν από τον Ο.ΠΕ.Κ.Ε.ΠΕ, ενώ δεδομένα υδραυλικών χαρακτηριστικών του εδάφους και της σύστασης του από το Ευρωπαϊκό Κέντρο Δεδομένων Εδάφους (European Soil Data Centre-ESDAC), και το Εθνικό Ίδρυμα Αγροτικής Έρευνας (ΕΘΙΑΓΕ-σήμερα ΕΛΓΟ-ΔΗΜΗΤΡΑ). Παρατηρούμενες μετρήσεις στάθμης υπόγειων υδάτων καθώς και συγκεντρώσεων νιτρικών ιόντων και χλωριόντων ανακτήθηκαν από την Ελληνική Αρχή Γεωλογικών και Μεταλλευτικών Ερευνών (ΕΑΓΜΕ), την Περιφέρεια Θεσσαλίας, την Περιφερειακή Ενότητα Μαγνησίας και Σποράδων, και από προηγούμενες μελέτες. Οι τοποθεσίες των γεωτρήσεων άντλησης εξήχθησαν από περιοχικούς χάρτες του Εθνικού Μητρώου Σημείων Υδροληψίας (Ε.Μ.Σ.Υ.). Τα παραπάνω δεδομένα συντέλεσαν στη δόμηση του κάθε μοντέλου του συστήματος προσομοίωσης, και στη βαθμονόμηση και πιστοποίηση του καθενός ξεχωριστά στις αντίστοιχες παρατηρούμενες μετρήσεις των κύριων συνιστωσών του υδρολογικού και υδατικού κύκλου, επιτυγχάνοντας άριστη απόδοση της λειτουργίας και της απόκρισης του παράκτιου υδατικού συστήματος της Λεκάνης Αλμυρού και του υπογείου υδροφορέα.Για την αξιόπιστη προσομοίωση των υδατικών πόρων τόσο της ποσότητας όσο και της ποιότητας τους με στόχο την εκτίμηση των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής στην υποβάθμιση τους και με αυξημένη σημασία λόγω της παράκτιας θέσης τους, είναι πολύ σημαντικό τα αποτελέσματα προβολής του μελλοντικού κλίματος από τα κλιματικά μοντέλα να επιφέρουν την καλύτερη δυνατή προσαρμογή στην περιοχή μελέτης και τη μικρότερη εγγενή αβεβαιότητα. Για αυτό το λόγο εφαρμόσθηκαν Τεχνικές Διόρθωσης Μεροληψίας στα αποτελέσματα κλιματικών μοντέλων από το Med-CORDEX (Mediterranean COordinated Regional Downscaling Experiment) για δύο σενάρια ατμοσφαιρικών συνθηκών και εκπομπών, το μέσο σενάριο RCP4.5 και το δυσμενές RCP8.5. Οι μετεωρολογικές μεταβλητές του υετού και της θερμοκρασίας εξήχθησαν για την περιοχή μελέτης με τη συγγραφή κώδικα σε γλώσσα προγραμματισμού R και η εφαρμογή των μεθόδων πραγματοποιήθηκε σε περιβάλλον λογιστικών φύλλων (Excel). Οι τεχνικές εφαρμόστηκαν στις μεταβλητές της υετόπτωσης και θερμοκρασίας και συγκεκριμένα αφορούν τη μέθοδο Δέλτα (Delta), τη μέθοδο Δέλτα για το Μέσο Όρο και τη Διακύμανση (Delta of Mean and Variance), τη μέθοδο Ποσοστημορίων Δέλτα (Quantile Delta Mapping), τη μέθοδο Εμπειρικών Ποσοστημορίων (Quantile Empirical Mapping) και τη μέθοδο Ποσοστημορίων Κατανομής Γάμμα (Quantile Gamma Mapping). Με τον υπολογισμό στατιστικών μέτρων απόδοσης των καταβιβασμένων/διορθωμένων μεταβλητών του υετού και της θερμοκρασίας έναντι των παρατηρούμενων τιμών αναδείχθηκε η αποδοτικότερη μέθοδος διόρθωσης μεροληψίας για την περιοχή μελέτης. Στη συνέχεια διερευνήθηκαν και κατασκευάστηκαν νέα σύνολα κλιματικών δεδομένων (Ensembles) για το δυσμενές σενάριο κλιματικής αλλαγής RCP8.5 και το μέσο RCP4.5, ενώ σύμφωνα με τα στατιστικά μέτρα επίδοσης τους επιτεύχθηκε ελαφρώς καλύτερη επίδοση από τα μεμονωμένα κλιματικά μοντέλα Med-CORDEX. Όμως, σημαντικός είναι και ο προσδιορισμός του κλιματικού μοντέλου Med-CORDEX στα παρατηρούμενα δεδομένα και για τα δύο σενάρια κλιματικής αλλαγής για την ανάλυση της αβεβαιότητας που διαδίδεται από τα δεδομένα εισόδου των κλιματικών μεταβλητών σε κάθε κύρια συνιστώσα των παραγόμενων αποτελεσμάτων των συζευγμένων μοντέλων του Ολοκληρωμένου Συστήματος Προσομοίωσης (ΟΣΠ). Η ανάλυση της αβεβαιότητας βασίζεται στον προσδιορισμό των εγκάρσιων μηνιαίων κατανομών των τιμών των υδρολογικών και ποιοτικών μεταβλητών τόσο ως προς τα κλιματικά σενάρια (RCP8.5 και RCP4.5) και τα αντίστοιχα κλιματικά μοντέλα, όσο και ως προς τις διαφορετικές τεχνικές διόρθωσης μεροληψίας. Η αβεβαιότητα κάθε μεταβλητής εμπεριέχει τις πιθανές τιμές που μπορεί να λάβει κάθε προσομοιωμένη μεταβλητή του υδρολογικού-υδατικού κύκλου σε συγκεκριμένο επίπεδο εμπιστοσύνης αφού πραγματοποιείται έλεγχος κανονικότητας κάθε εγκάρσιας μηνιαίας κατανομής κάθε συνιστώσας. Ο προσδιορισμός της αβεβαιότητας αποτιμάται με τη σχετική αβεβαιότητα, έναν αδιάστατο δείκτη της διακύμανσης των παραγόμενων τιμών υπό την κλιματική αλλαγή και τα σενάρια διαχείρισης. Τέλος, η συνεισφορά της αβεβαιότητας της κλιματικής αλλαγής και των διαχειριστικών σεναρίων, και το πώς μεταβιβάζεται προς τα υπόγεια καθορίζεται με την εφαρμογή της μεθόδου Ανάλυσης Κύριων Συνιστωσών (Principal Component Analysis PCA) στις μεταβλητές αβεβαιότητας του υδρολογικού-υδατικού κύκλου με τη γραμμική προβολή στο δισδιάστατο σύστημα αξόνων των κύριων συνιστωσών.Η μεθοδολογία έρευνας για την προσομοίωση και τη διαχείριση της παράκτιας λεκάνης απορροής επιμερίζεται σε τέσσερις διακριτές ενότητες εργασίας (Ερευνητικές Ενότητες, Ε.Ε.) και περιλαμβάνει: •Ε.Ε.1: Την καταγραφή και αποτίμηση της υπάρχουσας κατάστασης, η οποία πραγματοποιήθηκε μέσω:oΕργασία 1.1: Της αναζήτησης και συλλογής βιβλιογραφικών και ερευνητικών μελετών υποβαθμισμένων υδατικών πόρων παράκτιων λεκανών απορροήςoΕργασία 1.2: Της συλλογής, ανάλυσης και επεξεργασίας των υδρομετεωρολογικών δεδομένων, των ποιοτικών δεδομένων των υδατικών πόρων, των υδρογεωλογικών συνθηκών του υπόγειου υδατικού συστήματος •Ε.Ε.2: Την ανάπτυξη και εφαρμογή του ολοκληρωμένου συστήματος προγραμμάτων προσομοίωσης και την ποσοτική και ποιοτική αξιολόγηση της υπάρχουσας ιστορικής κατάστασης με:oΕργασία 2.1: Την προσομοίωση της επιφανειακής υδρολογίας μέσω του εννοιολογικού μοντέλου UTHBAL, το οποίο χρησιμοποιεί ως δεδομένα εισόδου την επιφανειακή βροχόπτωση, τη μέση επιφανειακή θερμοκρασία και τη δυνητική εξατμισοδιαπνοή και υπολογίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή, την εδαφική υγρασία, την επιφανειακή απορροή και κατείσδυση oΕργασία 2.2: Τον προσδιορισμό της ποσότητας αζώτου γεωργικής προέλευσης που εκπλύεται από την ακόρεστη προς την κορεσμένη ζώνη με το αγρο-υδρολογικό μοντέλο REPIC (R-ArcGIS-based Environmental Policy Integrated Climate model) συναρτήσει της γεωμορφολογίας, των κλιματικών συνθηκών, των χρήσεων γης, του τύπου καλλιέργειας, του βάθους ύδρευσης και της ετήσιας εφαρμογής λίπανσης oΕργασία 2.3: Την προσομοίωση της υπόγειας ροής του υπόγειου υδροφορέα του Αλμυρού με τη χρήση του λογισμικού πακέτου Groundwater Modelling System (Aquaveo-GMS) μέσω της εννοιολογικής προσέγγισης, το οποίο και δέχεται από το μοντέλο επιφανειακής υδρολογίας την κατείσδυση (UTHBAL) και εφαρμόζει τον κώδικα MODFLOW, την προσομοίωση των συγκεντρώσεων νιτρικών ιόντων με την υπορουτίνα MT3DMS, και την προσομοίωση της αλμυρής σφήνας/υφαλμύρισης με την υπορουτίνα ροής μεταβλητής πυκνότητας SEAWAT •Ε.Ε.3: Την εφαρμογή του ολοκληρωμένου συστήματος στην προσομοίωση της προβλεπόμενης κατάστασης υπό την επίδραση της κλιματικής αλλαγής και διαχειριστικών σεναρίων: oΕργασία 3.1: Την εφαρμογή τεχνικών διόρθωσης μεροληψίας στα αποτελέσματα προσομοιώσεων κλιματικών μοντέλων και αξιολόγησης του αντιπροσωπευτικότερου μοντέλου στην περιοχή μελέτης oΕργασία 3.2: Την ποσοτική και ποιοτική αξιολόγηση των υδατικών πόρων για μια σειρά διαχειριστικών σεναρίων, τα οποία επικεντρώνονται στη διαχείριση της ζήτησης νερού και αγρονομικής λίπανσης oΕργασία 3.3: Τη διατύπωση και αποτίμηση βέλτιστων διαχειριστικών στρατηγικών με στόχο τον περιορισμό και την αντιστροφή της ποσοτικής και ποιοτικής υποβάθμισης των υδατικών πόρων.oΕργασία 3.4: Τον προσδιορισμό της αβεβαιότητας λόγω προσομοίωσης και πρόβλεψης της κλιματικής αλλαγής και πώς αυτή διαδίδεται από τις κλιματικές/μετεωρολογικές μεταβλητές στις κύριες συνιστώσες του υδρολογικού και υδατικού κύκλου. •Ε.Ε.4: Συνολική αξιολόγηση των αποτελεσμάτων και της συνεισφοράς των καινοτόμων στοιχείων της Διδακτορικής ΔιατριβήςΤα κύρια ερευνητικά ερωτήματα/υποθέσεις που απαντώνται στα πλαίσια εκπόνησης της παρούσης διδακτορικής διατριβής διακρίνονται: i) στη συνολική προσομοίωση επιφανειακών και υπόγειων υδατικών πόρων παράκτιων και αγροτικών λεκανών απορροής, ii) στο τρόπο σύνδεσης της υποβαθμισμένης κατάστασης της υδατικής ισορροπίας παράκτιας λεκάνης απορροής με τη θαλάσσια διείσδυση και τη νιτρορύπανση iii) στο πώς η κλιματική αλλαγή επηρεάζει την ποσοτική και ποιοτική κατάσταση των παράκτιων υδατικών πόρων iv) στη διερεύνηση της προσαρμογής και προστασίας των υδατικών πόρων με εναλλακτικά σενάρια διαχείρισης της ζήτησης και της λίπανσης στην παραγόμενη αβεβαιότητα της πίεσης, της αλμυρής σφήνας και των νιτρικών σε υπόγειο υδροφορέα και ν) την προσδιορισμό της αβεβαιότητας λόγω της προσομοίωσης των μελλοντικών κλιματικών/μετεωρολογικών δεδομένων και σεναρίων διαχείρισης και με ποιο τρόπο η αβεβαιότητα διαδίδεται από τις κλιματικές μεταβλητές, στις μεταβλητές επιφανειακής υδρολογίας, στη συνέχεια της υπόγειας υδρολογίας και στις ποιοτικές μεταβλητές του υπόγειου υδροφορέα.