title: Ολοκληρωμένο πλαίσιο μοντελοποίησης υδρολογίας, ποιότητας νερών και στερεοπαροχής σε λεκάνες απορροής ποταμών διαλείπουσας ροής
title: Integrated modeling framework of hydrologic, water quality and sediment transport in temporary river basins
Creators: name: Γαμβρουδης Χρηστος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2016

description: Στην παρούσα διδακτορική διατριβή με τίτλο «Ολοκληρωμένο πλαίσιο μοντελοποίησης υδρολογίας, ποιότητας νερών και στερεοπαροχής σε λεκάνες απορροής ποταμών διαλείπουσας ροής» προτείνεται μια νέα μεθοδολογία συλλογής δεδομένων και μοντελοποίησης της υδρολογίας, της ποιότητας νερών και της στερεοπαροχής σε λεκάνες απορροής ποταμών διαλείπουσας ροής στη Μεσόγειο, μεθοδολογία η οποία θα καλύψει τα κενά εφαρμογής υπαρχόντων μοντέλων σε σύνθετα υδρολογικά και υδρογεωλογικά συστήματα.
Οι υδατικοί πόροι διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στις κοινωνικοοικονομικές εξελίξεις συμβάλλοντας ουσιαστικά στην εξέλιξη της ζωής και στον ανθρώπινο πολιτισμό. Η βιώσιμη διαχείριση των πόρων αυτών γίνεται ολοένα και περισσότερο σύνθετη λόγω της πεπερασμένης διάθεσης τους, λόγω της κατάχρησης και κακοδιαχείρισης τους, που έχει σαν αποτέλεσμα τον περιορισμό της διαθεσιμότητας τους. Τα προβλήματα που συνδέονται με τους υδατικούς πόρους και τη χρήση τους (υγεία, τουρισμός, βιομηχανία, αγροτική παραγωγή κ.α.) σε συνδυασμό με τις γενικότερες περιβαλλοντικές πιέσεις που προέρχονται από τη πληθυσμιακή αύξηση (μεγαλύτερες απαιτήσεις για άρδευση και μεγαλύτερες ανάγκες σε νερό παγκοσμίως, έντονες και απρόβλεπτες κλιματολογικές αλλαγές), οξύνονται από την όλο ένα και μεγαλύτερη απαίτηση σε νερό. Ο ανταγωνισμός αυτός είναι εντονότερος στις ξηρές και ημίξηρες περιοχές, όπου η έλλειψη νερού ήταν και εξακολουθεί να είναι ακόμη, ένα φαινόμενο που παίζει καθοριστικό ρόλο στη διαμόρφωση πολιτικών, κοινωνικών και οικονομικών σχέσεων.
Στην πλειονότητα των ποταμών διαλείπουσας ροής δεν υπάρχουν δεδομένα ικανά να περιγράψουν τις υδρολογικές και γεωχημικές συνθήκες που επικρατούν και σε συνδυασμό με την έντονη γεωμορφολογία των ποταμών αυτών δε δύναται να ενταχθούν στις παραδοσιακές γεωλογικές συνθήκες, σύμφωνα με τις οποίες έχουν αναπτυχθεί και κωδικοποιηθεί τα διάφορα υδρολογικά μοντέλα σήμερα. Η αποτελεσματική διαχείριση των εδαφικών και υδατικών πόρων προϋποθέτει την κατανόηση των βασικών οικολογικών και υδρολογικών διεργασιών που διέπουν μια περιοχή.
Η περιοχή μελέτης της παρούσας διατριβής είναι η ευρύτερη περιοχή της λεκάνης απορροής του ποταμού Ευρώτα, ο οποίος αποτελεί ένα σύνθετο υδρολογικό και υδρογεωλογικό σύστημα αποτελούμενο κυρίως από ποταμούς διαλείπουσας ροής σε καρστικούς σχηματισμούς και πηγές. Τα επιφανειακά νερά που διαρρέουν τα υδατορέματα του ποταμού παρουσιάζουν έντονη εποχικότητα ενώ ταυτόχρονα υπάρχει μια έντονη ζήτηση του νερού την ίδια περίοδο. Επί πρόσθετα οι πλημμύρες και η παραγόμενη διάβρωση αποτελούν επίσης σημαντικές πιέσεις στο σύστημα του ποταμού. Εκτός από την ανάλυση των επιφανειακών υδάτων ιδιαίτερα σημαντική είναι και η κατανόηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ των επιφανειακών και υπογείων υδάτων και η απόκριση τους στην κλιματική αλλαγή. 
Τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των υδατικών πόρων της περιοχής καθιστούν τη λεκάνη του ποταμού Ευρώτα μια περιοχή που έχει εγείρει το επιστημονικό ενδιαφέρον εδώ και αρκετά χρόνια. Οι άξονες που τέθηκαν στην παρούσα διατριβή ήταν:
•	Η συλλογή πληροφοριών σχετικά με το γεωλογικό, υδρογεωλογικό και μορφολογικό καθεστώς της λεκάνης του ποταμού.
•	Η ανάπτυξη και η συμπλήρωση του υφιστάμενου συστήματος παρακολούθησης των ποιοτικών και ποσοτικών χαρακτηριστικών όλων των υδατικών σωμάτων της περιοχής έρευνας.
•	Η ανάλυση και η αξιολόγηση της υφιστάμενης περιβαλλοντικής κατάστασης του ποταμού.
•	Η προσομοίωση των διεργασιών που λαμβάνουν χώρα στην περιοχή μελέτης, με τη χρήση και συνδυασμό υπολογιστικών μοντέλων.
•	Η μελέτη των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής στους υδατικούς πόρους της περιοχή μελέτης.

Διάφοροι μέθοδοι μοντελοποίησης των υδατικών πόρων έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως για πάνω από 40 χρόνια για διάφορους σκοπούς, αλλά σχεδόν όλα αυτά τα εργαλεία μοντελοποίησης έχουν δημιουργηθεί και αναπτυχθεί κυρίως για περιοχές με υγρά κλίματα ενώ σε περιοχές με ξηρά και ημίξηρα κλίματα έχει δοθεί λιγότερη προσοχή λόγω της ιδιαιτερότητας των περιοχών αυτών. Έτσι η αποτελεσματική μελέτη και διαχείριση των υδατικών πόρων απαιτεί την χρησιμοποίηση ή την δημιουργία κατάλληλων συστημάτων διαχείρισης και εργαλείων μοντελοποίησης σε επίπεδο λεκάνης απορροής. 
Στην λεκάνη απορροής του ποταμού Ευρώτα αναπτύχθηκε και εφαρμόστηκε ένα ολοκληρωμένο συνδυαστικό αριθμητικό μοντέλο επιφανειακών-υπόγειων υδάτων το οποίο αποτελείται από το υδρολογικό μοντέλο SWAT (Soil Water Assessment Tool), το οποίο προσομοιώνει τις συνθήκες που αφορούν στα επιφανειακά ύδατα της λεκάνης και τον κώδικα PTC (Princeton Transport Code) που προσομοιώνει την υπόγεια ροή και μεταφορά.
Με το μοντέλο SWAT μελετήθηκε η ποσότητα, η ποιότητα και η στερεοπαροχή των επιφανειακών υδάτων της λεκάνης απορροής του ποταμού καθώς και οι επιπτώσεις των υδρολογικών διεργασιών στην οικολογία της λεκάνης. Μηνιαία και ημερήσια δεδομένα παροχής καθώς και μηνιαία δεδομένα συγκεντρώσεων στερεοπαροχής από ένα εκτεταμένο δίκτυο συλλογής και παρακολούθησης χρησιμοποιήθηκαν για την βαθμονόμηση και επαλήθευση του υδρολογικού μοντέλου SWAT. Η προσομοίωση της υδρολογίας και της μεταφοράς ιζημάτων κρίθηκε ικανοποιητική μέσω στατιστικών δεικτών (NSE, PBIAS και RSR) με όλους τους δείκτες να βρίσκονται εντός των επιτρεπτών ορίων. Η μέση βροχόπτωση για την περίοδο 2000-2011 εκτιμήθηκε σε 903 mm yr-1 η πραγματική εξατμισοδιαπνοή στο 46.9% (424 mm yr-1) και η απορροή στο 13.4% (121 mm yr-1). Το υπόλοιπο 33.4% (302 mm yr‐1) είναι ποσότητες που καλύπτουν τις ανάγκες καθώς και ποσότητες υδάτων που χάνονται μέσω καρστικών συστημάτων του Ταΰγετου και του Πάρνωνα σε περιοχές εκτός της λεκάνης απορροής.
Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν πως η λεκάνη έχει σε ετήσια βάση αρκετές ποσότητες για να καλυφτούν οι ανάγκες εντούτοις μεγάλα προβλήματα παρουσιάζονται κυρίως κατά τις ξηρές περιόδους όπου η πλειονότητα των υδατορεμάτων (>85% του υδρογραφικού δικτύου) ξεραίνεται τελείως. Η μέση ετήσια μεταφορά ιζημάτων για την περίοδο 2000-2011 υπολογίστηκε σε 0.85 t ha-1 yr-1 με τις μεγαλύτερες ποσότητες διάβρωσης να εμφανίζονται στην περιοχή του Ταϋγέτου (3.5 t ha-1 yr-1). Με βάση τη σύγκριση της προσομοίωσης με το μοντέλο SWAT με πραγματικούς χάρτες στο πεδίο προέκυψε πάνω από το 85% των τμημάτων του ποταμού αντιπροσωπεύουν ίδια χαρακτηριστικά ροής με αυτά των πραγματικών χαρτών αποξήρανσης ποταμού παρέχοντας επιπλέον ενδείξεις ότι το μοντέλο μπορεί να απεικονίσει συστηματικά συνθήκες χαμηλής ή μηδενικής ροής στη λεκάνη. Η συχνότητα των πλημμυρών στον κεντρικό ρου του ποταμού εκτιμάται ότι είναι μεταξύ 5% και 7%.
Η μέση τιμή του δυναμικού σε νερό της περιόδου 1970-1988 έχει μειωθεί από 277.1 mm (21.2% της βροχόπτωσης) σε 134.8 mm (15.2% της βροχόπτωσης) κατά την περίοδο 1989-2011 ως αποτέλεσμα της μείωσης των βροχοπτώσεων από 1304.4 mm σε 884.1 mm στην ίδια περίοδο.
Οι διεργασίες που αφορούν τις ροές των υπογείων υδάτων και την επίδραση τους με τα επιφανειακά ύδατα στην περιοχή μελέτης προσομοιώθηκαν με τη χρήση συνδυασμού του υδρολογικού μοντέλου SWAT και του κώδικα PTC. Έπειτα από την επιτυχημένη βαθμονόμηση και επαλήθευση του μοντέλου SWAT, σύμφωνα με τα κριτήρια που επιλέχθηκαν, προσομοιώθηκαν οι διεργασίες που αφορούν τις ροές των υπογείων υδάτων στην περιοχή μελέτης με τη χρήση του κώδικα PTC. Τα δεδομένα ροής των επιφανειακών υδάτων από το μοντέλο SWAT χρησιμοποιήθηκαν ως δεδομένα εισαγωγής και οριακών συνθηκών στο μοντέλο των υπογείων υδάτων το οποίο βαθμονομήθηκε και επαληθεύτηκε επιτυχώς για την περίοδο 2007-2011. Όσον αφορά στην εποχική διακύμανση των υδραυλικών υψών κατά την περίοδο 2007-2011 παρατηρήθηκε ότι είναι σχετικά μικρή, προφανώς επειδή τα υδατικά αποθέματα της λεκάνης είναι αρκετά μεγάλα.
Τέλος μελετήθηκε η απόκριση υδατικών πόρων (επιφανειακών και υπόγειων) και των υδρολογικών παραμέτρων (δείκτες ξηρασίας) της περιοχής μελέτης με την χρήση σεναρίων κλιματικής αλλαγής έως το 2060. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα προσομοιώσεων του μοντέλου SWAT μέσω των διαγραμμάτων συχνότητας της υδρόβιας κατάστασης ASGF (Aquatic States Frequency Graph) για τρία σενάρια κλιματικής αλλαγής (KNMI-RACMO2, MPI-M-REMO, SMHI-RCA) το μεγαλύτερο πρόβλημα επάρκειας επιφανειακών υδάτων προβλέπεται ότι θα υπάρξει στο υδατόρεμα της Μαγουλίτσας την περίοδο 2040-2060 ενώ αντίθετα περιοχές όπως η Ρασίνα δεν θα επηρεαστούν ιδιαίτερα.  
Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της μοντελοποίησης της επίδρασης της κλιματικής αλλαγής στον υπόγειο υδροφορέα συμπεραίνουμε ότι κατά την περίοδο 2043-2055, όπου ο δείκτης SPI παρουσιάζει μια τάση μεταβολής από υγρές περιόδους σε ξηρές σύμφωνα με το κλιματικό σενάριο 1 (KNMI-RACMO2), ο υδροφορέας παρουσιάζει μια μείωση των υδραυλικών υψών στην κοιλάδα της Σπάρτης ίση κατά μέσο όρο με 0.82 m. Η μείωση αυτή αντιστοιχεί σε απώλεια ίση με 72 εκ. m3 νερού κατά την διάρκεια των 12 αυτών χρόνων καθιστώντας σημαντική την ανάγκη για την εφαρμογή στρατηγικής διαχείρισης των υδατικών πόρων για να αποφευχθεί οποιαδήποτε περίπτωση λειψυδρίας στο μέλλον. Αντίστοιχα κατά την περίοδο 2055-2057 όπου έχουμε τάση μεταβολής από ξηρές σε υγρές περιόδους ο υδροφορέας παρουσιάζει αύξηση των υδραυλικών υψών κατά 0.16 m. Κατά το κλιματικό σενάριο 2 (MPI-M-REMO) ο υδροφορέας κατά την περίοδο 2043-2055 παρουσιάζει μια μείωση των υδραυλικών υψών στην κοιλάδα της Σπάρτης ίση κατά μέσο όρο με 0.47 m η οποία αντιστοιχεί σε απώλεια ίση με 42.3 εκ. m3 νερού. Ο υδροφορέας παρουσιάζει αύξηση των υδραυλικών υψών κατά 0.05 m κατά την περίοδο 2055-2057. Κατά το κλιματικό σενάριο 3 (SMHI-RCA) ο υδροφορέας κατά την περίοδο 2043-2055 παρουσιάζει μια μείωση των υδραυλικών υψών στην κοιλάδα της Σπάρτης ίση κατά μέσο όρο με 0.87 m η οποία αντιστοιχεί σε απώλεια ίση με 78.3 εκ. m3 νερού. Ο υδροφορέας παρουσιάζει αύξηση των υδραυλικών υψών κατά 0.16 m κατά την περίοδο 2055-2057.
Όσον αφορά τις γεωτρήσεις και για τα τρία κλιματικά σενάρια παρά τις κατά περιόδους αυξομειώσεις των υδραυλικών υψών τους, ο υδροφόρος ορίζοντας καταφέρνει και επανέρχεται στα αρχικά επίπεδα με εξαίρεση τις γεωτρήσεις P2 (Περιοχή Παλαιοπαναγιά) και N1 (περιοχή Καλύβια Σοχάς) στις οποίες εμφανίζεται μειωμένος κατά 0.5 και 1 m αντίστοιχα στο τέλος του 2058.
Βασική καινοτομία θεωρείται η μεθοδολογία στο σύνολό της που παρουσιάζει ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο προσομοίωσης των φυσικών διεργασιών και αντιμετώπιση των δυσκολιών παραμετροποίησης και βαθμονόμησης μιας σύνθετης υδρολογικής και υδρογεωλογικής λεκάνης στη Μεσόγειο λαμβάνοντας υπόψη τις ιδιαιτερότητες της περιοχής και εστιάζοντας στη συλλογή δεδομένων σε διάφορες κλίμακες για την ελαχιστοποίηση της αβεβαιότητας που προκύπτει από υφιστάμενους περιορισμούς.
description: Understanding the complex behaviour of the integrated surface and groundwater system is very important for the regional water resources management and requires an integrated modeling approach. Predicting the spatial patterns and intensity of hydrology, groundwater and sediment transport for large river basins can be problematic in areas where few reliable field data are available so other approaches that facilitate model simulations must be applied.
For the purposes of this study a comprehensive modelling framework for integrating a hydrologic (SWAT) and a groundwater (PTC) model was conceptualized, developed and tested in a large Mediterranean watershed (Evrotas River Basin).
The objective of this research was to study the spatial distribution of runoff,  sediment transport and better understand the dynamics of surface-groundwater (SW-GW) interactions in a large Mediterranean watershed (Evrotas River Basin) consisting of temporary flow tributaries and high mountain areas and springs by focusing on the collection and use of a variety of data to constrain the model parameters and characterize hydrologic and geophysical processes at various scales and to improve the seasonal forecasting of a potential hydrological drought under future climate change scenarios.  
Evrotas River Basin has a drainage area of 1348 km2 and is a complex hydrological system consisting of intermittent flow tributaries, high relief areas and springs which are the main contributors to base-flow. It is located in the southeast part of Peloponnesus, Greece and drains into Laconikos Gulf.
Both monthly and daily discharge data (2004-2011) and monthly sediment concentration data (2010-2011) from an extended monitoring network of 8 sites were used to calibrate and validate the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model. In addition flow desiccation maps showing wet and dry aquatic states obtained during a dry year were used to calibrate the simulation of low flows. Annual measurements of sediment accumulation in two reaches were used to further calibrate the sediment simulation. Model simulation of hydrology and sediment transport was in good agreement with field observations as indicated by a variety of statistical measures used to evaluate the goodness of fit. A water balance was constructed using a 12 year long (2000‐2011) simulation. The average precipitation of the basin for this period was estimated to be 903 mm yr-1. The actual evapotranspiration was 46.9% (424 mm yr-1), and the total water yield was 13.4% (121 mm yr-1). The remaining 33.4% (302 mm yr-1) was the amount of water that was lost through the deep groundwater of Taygetos and Parnonas Mountains to areas outside the watershed and for drinking water demands (6.3%). The results suggest that the catchment has on average significant water surplus to cover drinking water and irrigation demands. However, the situation is different during the dry years, where the majority of the reaches (85% of the river network are perennial and temporary) completely dry up as a result of the limited rainfall and the substantial water abstraction for irrigation purposes. There is a large variability in the sediment yield within the catchment with the highest annual sediment yield (3.5 t ha-1 yr-1) to be generated from the western part of the watershed. 
The study of the surface-groundwater (SW-GW) interactions is achieved by integrating the quasi-distributed watershed Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model with the three-dimensional groundwater flow Princeton Transport Code (PTC) model. The combined models are applied to the alluvial plain (300 km2) of Evrotas watershed by considering the interaction between the stream network and the aquifer to better spatially represent feedback fluxes within the surface and groundwater domains. The SWAT–PTC model was calibrated using field data for the 2007-2011 period. Model simulation was in good agreement with field observations demonstrating that this integrated modeling approach provides a more realistic representation of the water exchanges between surface and subsurface domains and constrains more the calibration with the use of both surface and subsurface observed data. Finally the SWAT and SWAT-PTC models were used to study the impact of future climate change on surface and ground water resources of the area under three different climate change scenarios. 
The climate scenario results suggest that the Evrotas catchment area will be facing a different climate in the future. All three scenarios gave consistent results, predicting significant decreases in annual precipitation, actual ET and runoff after 2030. The results suggest a 10% decrease in precipitation, 4% decrease in ET and 19% decrease in flow in 2030‐2050 compared to 2010‐2020. The KNMI-RACMO-ECHAM5 scenario presents the highest percentage of drought occurrence (21.1 %) during the 2050-2060 period while for the SMHI-RCA-ECHAM5 and MPI-REMO-ECHAM5 scenarios this is 20.0% and 19.0%, respectively. The results indicate that the upstream reaches displayed a loss of surface water to underlying groundwater systems whereas downstream the main river received recharge from groundwater as the water table approached the surface topography. The low flow characterization for the current situation showed that a large part of the stream network will be too dry to accommodate the development of a viable aquatic ecological community throughout the year. In dry periods (2043-2055) the amount of water that is supplied to the aquifer is 40.9% less than the amount of water that was supplied under current climate conditions highlighting the need for new management strategies that must be implemented in order to avoid setbacks in the allocation of water resources in the future.
The results indicate also that the study area is very sensitive to potential future climate change. The developed methodology facilitated the simulation of hydrology, groundwater and sediment transport of the catchment providing consistent results and suggesting its usefulness as a tool for temporary rivers management.