Μοντελοποίηση υδρολογικών και γεωχημικών διεργασιών σε ποτάμιο σύστημα διαλειπούσας ροής
Authors: Τζωράκη Ουρανία 
Published: August 2021

Τα ημίξηρα περιβάλλοντα καλύπτουν περίπου 35% της γήινης χερσαίας επιφάνειας (Wilcox and Newman, 2005). Στην Ευρώπη, ο ημίξηρος χαρακτήρας του Μεσογειακού κλίματος εγκυμονεί κινδύνους, τόσο ξηρασίας από την έλλειψη γεγονότων βροχής κατά τους θερινούς μήνες, όσο και της ερημοποίησης και έκπλυσης του εδάφους από τα πρώτα γεγονότα βροχής. Ένα ιδιάζον χαρακτηριστικό του ημίξηρου κλίματος είναι η ύπαρξη ποταμών διαλείπουσας ροής, δηλαδή ποταμών, που η ροή λαμβάνει χώρα για κάποια χρονικά διαστήματα κατά τα διάρκεια του έτους (Uys and Keeffe, 1997). Επειδή τα ποτάμια διαλείπουσας ροής αφορούν ένα πολύ μεγάλο ποσοστό της Μεσογείου και της χώρας μας και δεδομένου ότι λόγω των κλιματικών αλλαγών και της επικείμενης ξηρασίας απειλούνται με λειψυδρία πολλές χώρες της υδρογείου και συνεπώς, και μεσογειακές χώρες κρίθηκε απαραίτητη και αναγκαία η μελέτη των περιβαλλοντικών αυτών συστημάτων. Η μελέτη αυτών των συστημάτων είναι περιορισμένη και κυρίως είχε εστιαστεί στην μορφολογία τους και στην κατανόηση των πλημμυρικών φαινομένων. Δεν έχει μέχρι σήμερα μελετηθεί και δεν έχει γίνει ακόμα κατανοητό, πώς συμπεριφέρνονται οι λεκάνες απορροής ποταμών διαλείπουσας ροής στις αλλαγές της θερμοκρασίας και της υγρασίας (ραγδαίες βροχοπτώσεις και μεγάλες περίοδοι ξηρασίας) και αν το ρυπαντικό φορτίο που δέχονται (λιπάσματα, απόβλητα, λύματα, σκουπίδια κ.λπ.) επηρεάζεται από τους παράγοντες αυτούς. Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζεται στη μελέτη των υδρολογικών και βιογεωχημικών διεργασιών των ποτάμιων συστημάτων διαλείπουσας ροής της Μεσογείου. Λόγω της εναλλαγής υγρής και ξηρής περιόδου τα ποτάμια αυτά παρουσιάζουν έντονη χωρική διαφοροποίηση, διότι η υγρή κοίτη του ποταμού διαπλατύνεται κατά την υγρή περίοδο και συρρικνώνεται κατά την ξηρή. Συνήθως, με την πρώτη βροχή παρατηρείται το φαινόμενο της πρώτης πλημμύρας (first flush), όπου το νερό προκαλεί διάβρωση της κοίτης και κατά συνέπεια μεταφέρει μεγάλο όγκο φερτών υλικών και ρύπων στον κάτω ρου και στην παράκτια ζώνη. Η εναλλαγή ξηρών και υγρών περιόδων δεν επηρεάζει μόνο τη μεταφορά ιζημάτων και ρύπων, αλλά ολόκληρο το βιογεωχημικό κύκλο. Οι πλημμύρες επηρεάζουν έμμεσα τον κύκλο των θρεπτικών, διότι είναι η κύρια αιτία εναπόθεσης νέου ιζήματος και διαμόρφωσης ενός μωσαϊκού ιζημάτων, τόσο από άποψη κοκκομετρίας, όσο και ορυκτολογικής σύστασης. Η σύσταση και η κοκκομετρία των ιζημάτων επηρεάζει τόσο το ρυθμό απονιτροποίησης, όσο και άλλες διεργασίες. Ο ρόλος της υγρασίας και της θερμοκρασίας των ιζημάτων, που επηρεάζουν τους κύκλους του αζώτου και του φωσφόρου, δεν έχει μελετηθεί ικανοποιητικά. Αυτό είναι ένα σημαντικό κενό, κυρίως λόγω του ότι τα θρεπτικά και το διαθέσιμο περιεχόμενο σε υγρασία των ιζημάτων ρυθμίζουν τη δομή και τη λειτουργία των βιοκοινωνιών και των ενδιαιτημάτων τους. Οι ιδιαίτερες βιογεωχημικές διεργασίες, που λαμβάνουν χώρα (in stream) σε ποτάμια διαλείπουσας ροής δεν είναι πλήρως κατανοητές. Παρά το μεγάλο αριθμό μοντέλων ποιότητας νερού, δεν υπάρχει προηγούμενη εμπειρία από την εφαρμογή ενός μοντέλου σε ποτάμι διαλείπουσας ροής. Η προσομοίωση ποταμού διαλείπουσας ροής δεν είναι εφικτή, εξαιτίας των περιορισμών με τους οποίους περιγράφονται στα διαθέσιμα μοντέλα οι υδρολογικές διεργασίες και οι διεργασίες στα ιζήματα της κοίτης του ποταμού. Συνεπώς, πρέπει να τροποποιηθούν τα διαθέσιμα υδρολογικά μοντέλα ή να δημιουργηθούν νέα, που θα λαμβάνουν υπόψη τα ειδικά υδρολογικά χαρακτηριστικά των ποταμών διαλείπουσας ροής, δίνοντας ιδιαίτερη βαρύτητα στο φαινόμενο του πρώτου πλημμυρικού επεισοδίου βροχής, καθώς και στις βιογεωχημικές διεργασίες, που λαμβάνουν χώρα στα ιζήματα κατά τη διάρκεια της ξηρής περιόδου. Περιοχή μελέτης αποτέλεσε ο Κράθης ποταμός στη βόρεια Πελοπόννησο, διότι παρουσιάζει όλα τα χαρακτηριστικά ενός ποταμού διαλείπουσας ροής. Το κύριο χαρακτηριστικό του είναι οι μεγάλες κλίσεις (υψηλές κλίσεις μέχρι και 27% ανάντη και σχεδόν επίπεδος 3% κλίση στο βόρειο τμήμα, κατάντη) που δίνουν ένα χειμαρρώδη χαρακτήρα στην υδραυλική του συμπεριφορά. Η διατομή της κοίτης του ποταμού είναι πολύ στενή, λίγα μόλις μέτρα πλάτους, με μεγάλες πέτρες και λιθάρια ανάντη, ενώ πριν την εκβολή του στη θάλασσα το πλάτος φθάνει τα 100 μέτρα πλάτος. Κατά μήκος του κυρίου κλάδου παρατηρείται μεγάλη διαφορά υψομέτρου. Το βόρειο τμήμα του ποταμού ξηραίνεται (περιστασιακά) το καλοκαίρι λόγω της συνδυαστικής δράσης της ξηρασίας-ανυδρίας και των αντλήσεων για την κάλυψη των αρδευτικών αναγκών. Επίσης το τμήμα αυτό, κατά τη διάρκεια του χρόνου πλημμυρίζει, εν μέρει, με αποτέλεσμα το πλάτος του να απλώνεται και 10 φορές περισσότερο από το μέσο πλάτος της κοίτης. Το βόρειο αυτό τμήμα του Κράθη έχει όλα τα χαρακτηριστικά ενός ποταμού διαλείπουσας ροής. Η κοίτη έχει μεγάλο πλάτος και πολύ μικρές κλίσεις και η πλημμυρική επιφάνειά της διαρκώς επιμηκύνεται και διαπλατύνεται (μεταβάλλοντας το ποσοστό υγρασίας στην κοίτη), ενώ παρουσιάζει μεγάλη συγκέντρωση ιζημάτων (λόγω της απότομης μεταβολής της κλίσης), τα οποία αποτελούν ουσιαστικά τα προϊόντα της διάβρωσης της first flush. Οι κύριοι στόχοι της παρούσας διατριβής είναι: • Η εφαρμογή και αξιολόγηση υδρολογικού μοντέλου λεκάνης απορροής για την προσομοίωση ποταμού διαλείπουσας ροής, περίπτωση Κράθη ποταμού. • Η μελέτη των βιογεωχημικών διεργασιών του αζώτου (Ν) και του φωσφόρου (Ρ) στα ιζήματα, τόσο στο πεδίο, όσο και στο εργαστήριο σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία και της υγρασία. • Η αξιολόγηση της σημασίας των βιογεωχημικών διεργασιών στην επιβάρυνση του ποταμού, του υπόγειου υδροφόρου στρώματος και του παράκτιου συστήματος, • Η δημιουργία γενικευμένου μοντέλου ποταμού διαλείπουσας ροής, που θα καλύψει τα κενά των υπαρχόντων μοντέλων. • Η σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων των διεργασιών στα ιζήματα του Κράθη ποταμού με τα αποτελέσματα από τρία επιπλέων ποτάμια διαλείπουσας ροής της Μεσογείου, για να μελετηθεί η επίδραση των διεργασιών στη χημεία των ποταμών αυτών. Η μελέτη εστιάστηκε στο κατώτερο πεδινό τμήμα του ποταμού, όπου πραγματοποιήθηκαν μελέτες πεδίου (διάνοιξη γεωτρήσεων, υδρολογικές μελέτες, μετρήσεις υδραυλικών παραμέτρων) και περαιτέρω μελέτες των ιζημάτων στο εργαστήριο (φυσικοχημικός χαρακτηρισμός των ιζημάτων και πειράματα μελέτης των διεργασιών των θρεπτικών). Λόγω της έλλειψης δεδομένων και για να δημιουργηθεί μια πλήρη εικόνα των εισροών μέσα στο τμήμα ποταμού μελετήθηκε ολόκληρη η λεκάνη απορροής, όσον αφορά στα υδρολογικά, γεωχημικά και από άποψη διάβρωσης και ρύπανσης χαρακτηριστικά της. Στόχος ήταν να προσδιοριστούν οι παράμετροι εκείνες που καθορίζουν το χαρακτήρα της διαλείπουσας ροής του Κράθη ποταμού, όπως η τιμή της επιφανειακής απορροής, οι κλίσεις κ.α. Όσον αφορά στο μεγαλύτερο μέρος της λεκάνης απορροής του Κράθη (πλην του κατώτερου τμήματος μελέτης) έγινε προσομοίωση της υδρολογίας, της μεταφοράς ιζημάτων και των θρεπτικών με το υδρολογικό μοντέλο HSPF σε συνδυασμό με το καρστικό μοντέλο (που αναπτύχθηκε στα πλαίσια αυτής της διατριβής). Το καρστικό μοντέλο λαμβάνει υπόψη την ύπαρξη δυο υπόγειων ταμιευτήρων, ενός ανώτερου γρήγορης απόκρισης και ενός κατώτερου αργής απόκρισης και υπολογίζει τις εκφορτίσεις των πηγών στη λεκάνη απορροής του ποταμού με ημερήσιο χρονικό βήμα. Επίσης, πραγματοποιήθηκαν μελέτες στο πεδίο και στο εργαστήριο για να προσδιοριστούν οι παράμετροι του μοντέλου όπως είναι η ταχύτητα διήθησης, το πορώδες, η υγρασία, η μηχανική σύσταση των εδαφών κ.λπ. Με το μοντέλο HSPF προσδιορίστηκαν οι εισροές στο τμήμα μελέτης και με τις χημικές αναλύσεις, τόσο κατά τη διάρκεια γεγονότος βροχής, όσο και κατά την περίοδο χαμηλής ροής και την ανάλυση των κύκλων αζώτου και φωσφόρου καθορίστηκε η σπουδαιότητα των διεργασιών σε επίπεδο τμήματος ποταμού. Από την ανάλυση έγινε κατανοητό ποιες διεργασίες παίζουν σημαντικό ρόλο, ποιες όχι και ποιες χρήζουν περαιτέρω μελέτης στο εργαστήριο. Στη συνέχεια, διεξήχθησαν στο εργαστήριο πειράματα διαλείποντος έργου (batch) (κινητικά και ισορροπίας) για τη μελέτη των κύριων γεωχημικών διεργασιών: ανοργανοποίηση, εκχύλιση και προσρόφηση. Από τις χημικές αναλύσεις και την επίλυση των εξισώσεων ισοζυγίου για άζωτο και φώσφορο υπολογίστηκαν τα φορτία των θρεπτικών που δημιουργούνται (εισέρχονται ή μετασχηματίζονται) του τμήματος του Κράθη ποταμού και που εμπλουτίζουν τον υπόγειο υδροφορέα και το παρόχθιο περιβάλλον ή καταλήγουν λόγω των ραγδαίων βροχοπτώσεων στη θάλασσα. Δημιουργήθηκε το μοντέλο Reach Scale tempQsim (RSTM), που περιγράφει τις κύριες υδρολογικές και βιογεωχημικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στο τμήμα μελέτης ποταμού. Το μοντέλο αυτό λειτουργεί σε κλίμακα τμήματος ποταμού και περιλαμβάνει διεργασίες, όπως διαπλάτυνση - συρρίκνωση της κοίτης, περιοχές της κοίτης upwelling-downwelling και διεργασίες (προσρόφηση, εκρόφηση, ανοργανοποίηση θρεπτικών κ.α.), που λαμβάνουν χώρα όχι μόνο στη στήλη του νερού αλλά και στη στήλη του ιζήματος. Το μοντέλο λαμβάνει υπόψη τη μεταβολή του ρυθμού των διεργασιών σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία, την κύρια παράμετρο σε περιβάλλοντα διαλείπουσας ροής. Συμπεριλαμβάνει, επίσης, την επίδραση της υγρασίας των ιζημάτων στους ρυθμούς των αντιδράσεων, καθώς κατά τη διάρκεια της ξηρής περιόδου τα ιζήματα της κοίτης από υπερκορεσμένα μειώνουν βαθμιαία το ποσοστό υγρασίας μέχρι και 20%. Τέλος, έγινε αναγωγή των στοιχείων πεδίου από συγκεκριμένες θέσεις στο πεδίο και των ρυθμών ταχυτήτων που υπολογίστηκαν από εργαστηριακές μελέτες σε κλίμακα τμήματος ποταμού, τα οποία εισήχθησαν στο μοντέλο RSTM, προκειμένου να προσομοιωθούν οι υδρολογικές και γεωχημικές διεργασίες της κοίτης του Κράθη ποταμού (διεργασίες θρεπτικών, first flush, expansion - contraction) κατά τη διάρκεια των δυο ετών παρακολούθησης της λεκάνης. Για να ολοκληρωθεί ο προσδιορισμός και η κατανόηση της επίδρασης των κύκλων υγρασίας και ξηρασίας στις διεργασίες των ιζημάτων, που προέρχονται από ποτάμια διαλείπουσας ροής και για να υπάρχει η δυνατότητα να συγκριθούν τα αποτελέσματα που προέρχονται από τον Κράθη, πραγματοποιήθηκαν πειράματα μεσοκλίμακας. Ελήφθησαν ιζήματα από 4 διαφορετικά ποτάμια διαλείπουσας ροής της Μεσογείου: α. Κράθης (Ελλάδα), β. Tagliamento (Ελβετία-Ιταλία), γ. Mulargia (Σαρδηνία), δ. Pardiela (Πορτογαλία). Τα ιζήματα ελήφθησαν από τα 4 ποτάμια, την ίδια χρονική περίοδο και με κοινά πρωτόκολλα δειγματοληψίας. Συγκεκριμένα, στα πλαίσια της παρούσας διατριβής μελετήθηκε η ανοργανοποίηση, η εκχύλιση και η προσρόφηση των θρεπτικών στα τέσσερα ιζήματα. Η πρωτοτυπία της διατριβής έγκειται στο ότι (1) σε επίπεδο λεκάνης απορροής αναπτύχθηκε μια καινούρια μεθοδολογία που συνδυάζει ένα καρστικό μοντέλο (που δημιουργήθηκε στα πλαίσια της διατριβής και που υπολογίζει με ημερήσιο χρονικό βήμα την καρστική βασική απορροή καθ’ όλη τη διάρκεια του υδρολογικού έτους) με ένα μοντέλο λεκάνης απορροής για ποτάμια διαλείπουσας ροής, (2) μελετήθηκαν οι διεργασίες του αζώτου και του φωσφόρου σε ποτάμι διαλείπουσας ροής, (3) πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε ιζήματα και εξετάστηκε η επίδραση των κυριών παραμέτρων της θερμοκρασίας και της υγρασίας στις διεργασίες των θρεπτικών, (4) αναπτύχθηκε ένα νέο μοντέλο σε κλίμακα τμήματος ποταμού όπου λαμβάνει υπόψη υδρολογικούς μηχανισμούς και βιογεωχημικές διεργασίες που αποτελούσαν ουσιαστική έλλειψη των υπαρχόντων μοντέλων και (5) διεξήχθησαν πειράματα σε ιζήματα προερχόμενα από 4 διαφορετικά ποτάμια διαλείπουσας ροής της Μεσογείου και προσδιορίστηκε η επίδραση της θερμοκρασίας και της υγρασίας στις διεργασίες των θρεπτικών και συνεπώς στη χημεία των ποταμών αυτών.