Εκτίμηση παραγόντων νιτρο-ρύπανσης σε αγροτικές λεκάνες απορροής: Εφαρμογή στο υπόγειο υδατικό σύστημα πεδιάδας Νοτιοδυτικής Θεσσαλίας
Creators: name: Σαπουντζής, Βάιος Αθανάσιου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2025
Subjects: Νιτρορύπανση
Αποδόσεις καλλιεργειών
Αγρονομική προσομοίωση
Nitrate pollution
Crop yields
Crop simulation

description: Η παρούσα Μεταπτυχιακή Διατριβή Ειδίκευσης με τίτλο "Εκτίμηση παραγόντων νιτρορύπανσης σε αγροτικές λεκάνες απορροής. Εφαρμογή στο υπόγειο υδατικό σύστημα πεδιάδας Νοτιοδυτικής Θεσσαλίας" μελετά την ρύπανση του υπόγειου υδροφόρου συστήματος από νιτρικά ιόντα στις αγροτικές περιοχές της νοτιοδυτικής Θεσσαλίας. Σκοπός της μεταπτυχιακής διατριβής είναι η εκτίμηση παραγόντων και πρακτικών που επηρεάζουν τη νιτρορύπανση, όπως οι γεωργικές πρακτικές που εφαρμόζονται (άροση, άρδευση, λίπανση), οι κλιματικές συνθήκες που επικρατούν, καθώς και η γεωμορφολογία, η υδρολογική και η εδαφολογική κατάσταση της περιοχής. Οι αυξημένες τιμές νιτρικών ιόντων/αλάτων στη Θεσσαλία έχουν αποτελέσει αντικείμενο έντονης ανησυχίας τα τελευταία πολλά χρόνια, κυρίως λόγω της εντατικής γεωργίας και της χρήσης αζωτούχων λιπασμάτων. Η Θεσσαλία είναι μία από τις κύριες αγροτικές περιοχές της Ελλάδας, όπου οι καλλιέργειες όπως ο αραβόσιτος, το βαμβάκι και τα χειμερινά σιτηρά απαιτούν υψηλές ποσότητες λιπασμάτων. Ωστόσο, η αλόγιστη χρήση τους έχει οδηγήσει σε αυξημένες συγκεντρώσεις νιτρικών στα υδροφόρα συστήματα της περιοχής. Στη διατριβή χρησιμοποιείται το μοντέλο APEX (Agricultural Policy/Environmental eXtender) το οποίο αποτελεί ένα ισχυρό εργαλείο προσομοίωσης για την αξιολόγηση της επίδρασης των αγρονομικών πρακτικών και των χρήσεων γης σε πολλαπλές περιβαλλοντικές και αγρονομικές παραμέτρους. Το APEX χρησιμοποιείται κυρίως για να μελετήσει τη ροή του νερού, την απώλεια εδάφους, την έκπλυση των κύριων θρεπτικών στοιχείων (όπως το άζωτο στη μορφή των νιτρικών) και τη διαχείριση αγροτικών λεκανών απορροής. Πρόκειται για ένα καινοτόμο εργαλείο σε επίπεδο λεκάνης απορροής το οποίο δεν είναι ευρέως διαδεδομένο στον Ελλαδικό χώρο. Ως περίοδος προσομοίωσης ορίστηκε η περίοδος από τον Ιανουάριο του 1980 έως και τον Δεκέμβριο του 2022. Στο μοντέλο εισήχθησαν ημερήσια μετεωρολογικά δεδομένα βροχόπτωσης, μέγιστης και ελάχιστης θερμοκρασίας, σχετικής υγρασίας και ταχύτητας του ανέμου. Επίσης εισήχθησαν γεωμορφολογικά και εδαφολογικά δεδομένα της περιοχής μελέτης όπως η υφή του εδάφους (περιεκτικότητα σε άμμο, ιλύ και άργιλο), η φαινόμενη πυκνότητα και ο οργανικός άνθρακας αλλά και υδροδυναμικές παράμετροι όπως το σημείο μάρανσης (Wilting Point) και η υδατοϊκανότητα (Field Capacity). Ακόμα δεδομένα διαχείρισης των καλλιεργειών όπως η σπορά, η άροση, η λίπανση, η άρδευση και η «καταστροφή» αποτελούν αναγκαία δεδομένα εισαγωγής του μοντέλου. Η βαθμονόμηση του μοντέλου αποτελείται από δύο μέρη. Η βαθμονόμηση της υδρολογίας έγινε με βάση την δυνητική εξατμισοδιαπνοή που προήλθε με την μέθοδο Thornthwaite γιατί αποτελεί την πιο αξιόπιστη συνιστώσα και η τελική βαθμονόμηση του μοντέλου έγινε με κριτήριο τις αποδόσεις των καλλιεργειών. Επιπρόσθετα, επιχειρήθηκε ρύθμιση των παραμέτρων της απορροής και της πραγματικής εξατμισοδιαπνοής μέσω αποτελεσμάτων που προήλθαν από το μοντέλο UTHBAL (University of Thessaly BALance model), το οποίο είναι ένα μοντέλο προσομοίωσης του επιφανειακού υδατικού ισοζυγίου και εκτίμησης της επιφανειακής απορροής και της κατείσδυσης προς τους υπόγειους υδροφορείς. Μέσω της αγρονομικο-υδρολογικής προσομοίωσης που προσφέρει το μοντέλο APEX εξάγονται δεδομένα εκτίμησης του υδατικού ισοζυγίου της περιοχής μελέτης, δεδομένα εκτίμησης του κύκλου του αζώτου και των επιμέρους διεργασιών καθώς και αποτελέσματα ανάπτυξης και απόδοσης των καλλιεργειών.
description: This Master's thesis entitled "Estimation of nitrate pollution factors in agricultural watersheds. Application in the groundwater system of southwestern plain of Thessaly" studies the pollution of the groundwater system by nitrate ions in rural areas of southwestern Thessaly. The thesis aims to assess factors and practices that influence nitrate pollution, such as the agricultural practices applied (tillage, irrigation, fertilization), prevailing climatic conditions, and the region's geomorphology, hydrological, and soil conditions. Elevated nitrate ion/salts values in Thessaly have been of great concern in recent years, mainly due to intensive agriculture and the use of nitrogen fertilizers. Thessaly is one of the main agricultural regions of Greece, where crops such as maize, cotton and winter cereals require high amounts of fertilizer. However, their indiscriminate use has led to increased nitrate concentrations in the region's water bodies. The thesis uses the APEX (Agricultural Policy/Environmental eXtender) model which is a powerful simulation tool for assessing the impact of agronomic practices and land use on multiple environmental and agronomic parameters. APEX is mainly used to study water flow, soil loss, leaching of key nutrients (such as nitrogen in the form of nitrates) and agricultural watershed management. This is an innovative tool at the catchment level which is not widely used in Greece. The APEX model operates with a daily time step while some processes are simulated with hourly or even shorter time steps and has the ability to simulate simultaneously hundreds of years. APEX follows the Hydrological Response Unit (HRU) approach of the SWAT model. The Hydrologic Response Unit (HRU) is the smallest spatial unit in the model, and the typical HRU approach combines all homogeneous land uses, soils, and slopes within a subbasin. The simulation period was defined as the period from January 1980 to December 2022. Daily meteorological data of precipitation, maximum and minimum temperature, relative humidity and wind speed were input into the model. Geomorphological and soil data of the study area such as soil texture (sand, silt and clay content), apparent density and organic carbon as well as hydrodynamic parameters Wilting Point and Field Capacity were also input. Crop management data such as seeding, ploughing, fertilization, irrigation and 'disaster' are also necessary inputs to the model. The first step in the development of a complete APEX model is the delineation of subareas, channels and connectivity between them. The process of delineating subareas and creating watercourses takes into account flow direction and flow accumulation. The process of delineation and analysis of subareas for the study area takes place through the use of ArcAPEX. ArcAPEX is a GIS-based user interface that incorporates enhanced GIS capabilities and algorithms that are based on the ArcSWAT interface with APEX databases. In the area of the groundwater system of the Southwestern Thessaly Plain, after the delineation process, fifty-nine (59) subareas with the corresponding reaches were created, and an outlet point was considered at which all the waters of the area end up in order to save simulation time. The calibration of the model consists of two parts. The hydrology calibration was based on the potential evapotranspiration derived by the Thornthwaite method because it is the most reliable component and the final calibration of the model was based on crop yields. In addition, an attempt was made to adjust the runoff and actual evapotranspiration parameters through results obtained from the UTHBAL model (University of Thessaly BALance model), which is a model for simulating the surface water balance and estimating surface runoff and recharge to groundwater aquifers. The simulation of nitrate leaching in the aquifer of the Southwestern Thessaly Plain was carried out for the period 1980-2022 for the types of crops in the area. For the purposes of the simulation in APEX, one main crop had to be identified for simulation in each subarea. For this reason, it was chosen to run the simulation twice (2) in order to cover as many crop types as possible in each subarea. In the first simulation, the dominant crops, i.e. those with the highest coverage rate, were entered as crops in each subarea, while in the second simulation in turn, those with the second highest coverage rate were entered. Through the agronomic-hydrological simulation offered by the APEX model, data for estimating the water balance of the study area, data for estimating the nitrogen cycle and the individual processes as well as crop growth and yield results are extracted. The results of both simulations show significant values of nitrate leaching to the groundwater aquifer. The main factors leading to nitrate pollution are excessive use of nitrogen fertilizers, crop systems, water characteristics of the area and climatic conditions.