Αξιολόγηση οικολογικού δυναμικού ιδιαιτέρως τροποποιημένων υδατικών σωμάτων με χρήση του λογισμικού ΛΕΡΝΗ

Ψαρρού, Ελευθερία; Psarrou, Eleftheria

dc.contributor.author	Ψαρρού, Ελευθερία	el
dc.contributor.author	Psarrou, Eleftheria	en
dc.date.accessioned	2016-03-23T09:49:06Z
dc.date.available	2016-03-23T09:49:06Z
dc.date.issued	2016-03-23
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/42238
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.10748
dc.rights	Default License
dc.subject	Οικολογικό δυναμικό	el
dc.subject	Ιδιαιτέρως τροποποιημένο υδατικό σύστημα (ΙΤΥΣ)	el
dc.subject	Οδηγία 2000/60/ΕΚ	el
dc.subject	Ντετερμινιστική και στοχαστική προσομοίωση	el
dc.subject	Εναλλακτικά σενάρια διαχείρισης	el
dc.subject	Ecological potential	en
dc.subject	Heavily modified water body (HMWB)	en
dc.subject	Directive 2000/60/EC	en
dc.subject	Deterministic and stochastic simulation	en
dc.subject	Alternative management scenarios	en
dc.title	Αξιολόγηση οικολογικού δυναμικού ιδιαιτέρως τροποποιημένων υδατικών σωμάτων με χρήση του λογισμικού ΛΕΡΝΗ	el
dc.title	Assessment of the ecological potential of heavily modified water bodies using the LERNE software	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Περιβαλλοντική τεχνολογία	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2015-11-04
heal.abstract	Η άνοδος του βιοτικού επιπέδου των ανθρώπων και η ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας έχουν οδηγήσει τα τελευταία χρόνια σε αύξηση των ρυπαντικών φορτίων ανθρώπινης προέλευσης που καταλήγουν στα υδάτινα σώματα. Ο εμπλουτισμός του νερού σε θρεπτικά με συνέπεια την υπερβολική ανάπτυξη φυτικών οργανισμών αποτελεί το φαινόμενο του ευτροφισμού και συνιστά σημαντικό περιβαλλοντικό ζήτημα που εμφανίζεται κυρίως σε λίμνες και κλειστούς κόλπους. Η ανάγκη για την αντιμετώπιση του προβλήματος του ευτροφισμού οδήγησε την Ευρωπαϊκή Επιτροπή στη δημιουργία ενός νομοθετικού πλαισίου για την εφαρμογή συγκεκριμένων διατάξεων κοινών για όλα τα κράτη-μέλη. Από το Δεκέμβριο του 2000, έχει τεθεί σε ισχύ η Ευρωπαϊκή Οδηγία 2000/60/ΕΚ ή Οδηγία-Πλαίσιο για τα Νερά, η οποία περιλαμβάνει άρθρα με ορισμούς βασικών εννοιών, καινοτόμες ρυθμίσεις και μέτρα για την ορθή διαχείριση των υδάτινων πόρων. Σύμφωνα με την Οδηγία, κύριος στόχος είναι η επίτευξη καλής κατάστασης στα υδάτινα σώματα έως το 2015. Ο ευτροφισμός προσεγγίζεται ως μία επιμέρους ένδειξη για την οικολογική κατάσταση των υδάτινων σωμάτων και εισάγονται όρια σε βιολογικά, υδρομορφολογικά, χημικά και φυσικοχημικά στοιχεία για έλεγχο. Σύμφωνα με την Οδηγία, για τις περιπτώσεις που υπάρχουν εκτεταμένες ανθρώπινες παρεμβάσεις σε κάποιο υδατικό σύστημα και εφόσον τηρούνται συγκεκριμένες προϋποθέσεις, το σύστημα μπορεί να θεωρηθεί τεχνητό υδατικό σύστημα (ΤΥΣ) ή ιδιαιτέρως τροποποιημένο υδατικό σύστημα (ΙΤΥΣ). Όταν γίνεται αναφορά σε ΤΥΣ ή ΙΤΥΣ, χρησιμοποιείται από την Οδηγία η έννοια του οικολογικού δυναμικού αντί αυτή της οικολογικής κατάστασης. H παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως στόχο την αξιολόγηση του οικολογικού δυναμικού σε ΙΤΥΣ τεχνητών λιμνών της Ελλάδας. Με στοιχεία από τα Ολοκληρωμένα Σχέδια Διαχείρισης των Λεκανών Απορροής της Ελλάδας που έχουν καταρτιστεί από το Υπουργείο Περιβάλλοντος, γίνεται συγκεντρωτική αναφορά όλων των ΙΤΥΣ τεχνητών λιμνών στην Ελλάδα και κατόπιν επιλέγονται για μελέτη τα ΙΤΥΣ των τεχνητών λιμνών Λάδωνα, Κρεμαστών, Καστρακίου, Πηγών Αώου και Πουρναρίου. Το οικολογικό δυναμικό των ΙΤΥΣ Κρεμαστών και Καστρακίου έχει χαρακτηριστεί ως καλό ενώ των ΙΤΥΣ Λάδωνα, Πηγών Αώου και Πουρναρίου ως άγνωστο. Για τον έλεγχο της ποιοτικής κατάστασης των υδάτων έχει αναπτυχθεί μία μεγάλη ποικιλία ειδών και δυνατοτήτων μοντέλων στα οποία χρησιμοποιούνται μαθηματικές εξισώσεις για την περιγραφή φυσικών, χημικών και βιολογικών διεργασιών που λαμβάνουν χώρα μέσα σε ένα υδάτινο σώμα. Διάφορα λογισμικά που έχουν δημιουργηθεί τα τελευταία χρόνια αξιοποιούν τα μοντέλα αυτά. Η αξιολόγηση της οικολογικής μελέτης των ΙΤΥΣ που εξετάζονται στη διπλωματική εργασία γίνεται με το λογισμικό ΛΕΡΝΗ, που χρησιμοποιεί ένα μοντέλο ευτροφισμού-διαλυμένου οξυγόνου, και με το εμπειρικό μοντέλο Vollenweider-OECD. Κατ’ αρχάς, γίνεται παρουσίαση των διαθέσιμων δεδομένων για κάθε περίπτωση ΙΤΥΣ. Τα υδρολογικά δεδομένα συλλέγονται από τη Δημόσια Επιχείρηση Ηλεκτρισμού και αφορούν τις συνολικές εισροές και εκροές στους ταμιευτήρες των έργων όπως επίσης και τη στάθμη, την επιφάνεια και τον όγκο νερού του ταμιευτήρα που χρησιμοποιούνται για την εισαγωγή στοιχείων γεωμετρίας στο λογισμικό. Τα δεδομένα δίνονται για ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα ετών και αξιοποιούνται για τη θεώρηση ενός σεναρίου πιθανών υδρολογικών ετών και αντίστοιχων υδρολογικών συνθηκών που μπορούν να εμφανιστούν στο έργο. Τα στοιχεία για τα ρυπαντικά φορτία που καταλήγουν στις λίμνες προέρχονται από τα Ολοκληρωμένα Σχέδια Διαχείρισης και έχουν προκύψει από πρόσφατες μελέτες. Χρησιμοποιούνται επίσης σχέσεις που δίνουν τη θερμοκρασία και την ηλιακή ακτινοβολία στην εκάστοτε λίμνη και εισάγονται κατάλληλες τιμές ως αρχικές συνθήκες των παραμέτρων που εξετάζονται. Οι εξεταζόμενες παράμετροι είναι η χλωροφύλλη-α, ο ανόργανος και ο οργανικός φώσφορος, το αμμωνιακό άζωτο και τα νιτρικά, το διαλυμένο οξυγόνο και ο οργανικός άνθρακας. Στο λογισμικό ΛΕΡΝΗ εκτελείται μία απλή προσομοίωση που δίνει αποτελέσματα για τις προαναφερθείσες παραμέτρους καθώς και πληροφορίες για τη χρονική διακύμανση της στάθμης και του όγκου νερού στον ταμιευτήρα. Γίνεται σύγκριση με όρια που έχουν τεθεί από την Οδηγία για βασικές παραμέτρους και αξιολογείται το οικολογικό δυναμικό του ΙΤΥΣ. Στις περιπτώσεις των ΙΤΥΣ Κρεμαστών και Καστρακίου όπου το οικολογικό δυναμικό είναι γνωστό και δεδομένο, χρησιμοποιούνται πραγματικές μετρήσεις από το Γενικό Χημείο του Κράτους για σύγκριση με τα αποτέλεσματα από την προσομοίωση. Η σύγκριση αυτή έχει ως στόχο την εξακρίβωση της αξιοπιστίας του λογισμικού. Σε επόμενο στάδιο, χρησιμοποιείται το μοντέλο Vollenweider για την αξιολόγηση της ποιοτικής κατάστασης στη λίμνη. Στο διάγραμμα διακρίνονται δύο οριακές γραμμές, η γραμμή του επιτρεπτού ορίου και η γραμμή του εξέχοντος ορίου. Στις περιπτώσεις που ένα σημείο στο διάγραμμα βρίσκεται κάτω από το επιτρεπτό όριο, η λίμνη δεν αντιμετωπίζει προβλήματα ευτροφισμού. Εάν το σημείο υπερβαίνει το εξέχον όριο, η λίμνη θεωρείται ευαίσθητη στον ευτροφισμό ενώ στις υπόλοιπες περιπτώσεις δεν μπορεί να εξαχθεί με ασφάλεια συμπέρασμα για την τροφική κατάσταση της λίμνης και απαιτείται περαιτέρω διερεύνηση. Λαμβάνοντας υπ’ όψιν τα αποτελέσματα των παραπάνω εφαρμογών, γίνεται μία στοχαστική προσομοίωση, σε κάθε περίπτωση ΙΤΥΣ, εκτελούμενη με χρήση του λογισμικού ΛΕΡΝΗ. Στη στοχαστική προσομοίωση πραγματοποιούνται τυχαίες μεταβολές εντός ενός εύρους πιθανών τιμών σε συγκεκριμένες παραμέτρους και στα εισερχόμενα ρυπαντικά φορτία ώστε να μειωθεί η αβεβαιότητα των δεδομένων εισόδου. Εξάγονται καμπύλες μη υπέρβασης για συγκεκριμένη αποδεκτή αξιοπιστία και γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων για αποδεκτή αξιοπιστία 95% και 90% με τα όρια της Οδηγίας ώστε να αξιολογηθεί το οικολογικό δυναμικό του ΙΤΥΣ σε αυτές τις περιπτώσεις. Με βάση τα συμπεράσματα που προκύπτουν τόσο από το ΛΕΡΝΗ όσο και από το μοντέλο Vollenweider, εξετάζονται πιθανά σενάρια για τη μείωση των ρυπαντικών φορτίων όπου αυτό κρίνεται απαραίτητο. Αρχικά, γίνεται μία παραμετροποιημένη μείωση όλων των ρυπαντικών φορτίων σε κάθε ΙΤΥΣ και ελέγχεται πόσο είναι το ελάχιστο ποσοστό μείωσης που πρέπει να εφαρμοστεί ώστε να τηρούνται τα όρια της Οδηγίας για όλες τις παραμέτρους. Στη συνέχεια, εξετάζεται στοχευμένη μείωση φορτίων, προτείνονται οι λύσεις εκείνες που θεωρούνται πιο αποτελεσματικές διαχειριστικά και γίνεται εφαρμογή απλής προσομοίωσης στο ΛΕΡΝΗ και του μοντέλου Vollenweider για καθεμιά από αυτές. Σε ορισμένες περιπτώσεις, εκτελείται επίσης στοχαστική προσομοίωση στο ΛΕΡΝΗ για την εφαρμογή της μείωσης φορτίων. Τα αποτελέσματα συγκρίνονται με τα όρια της Οδηγίας και εξάγονται εκ νέου συμπεράσματα για το οικολογικό δυναμικό των ΙΤΥΣ μετά από τη λήψη των διαχειριστικών μέτρων. Αξιολογώντας τις ανωτέρω εφαρμογές προέκυψαν οι ακόλουθες βασικές παρατηρήσεις: Το λογισμικό ΛΕΡΝΗ αποτελεί ένα αποτελεσματικό εργαλείο για: • Τη συμπλήρωση στοιχείων για τα ΙΤΥΣ στα Ολοκληρωμένα Σχέδια Διαχείρισης. • Την αξιολόγηση του οικολογικού δυναμικού των ΙΤΥΣ που έχουν άγνωστη κατάσταση. • Την πρόγνωση του μελλοντικού οικολογικού δυναμικού στα ΙΤΥΣ όπου θα επικρατούν διαφορετικές υδρολογικές συνθήκες και φορτίσεις. • Την εφαρμογή διάφορων σεναρίων μείωσης των ρυπαντικών φορτίων, με στόχο τη διερεύνηση των κατάλληλων διαχειριστικών μέτρων για την αποφυγή κινδύνου εμφάνισης ευτροφικών συνθηκών. • Την εφαρμογή στοχαστικών προσομοιώσεων που εισάγουν την έννοια της πιθανότητας και δίνουν εικόνα για το οικολογικό δυναμικό των ΙΤΥΣ για κάποια συγκεκριμένη αποδεκτή αξιοπιστία. Επίσης, μπορούν να εξεταστούν οι μειώσεις φορτίων έτσι ώστε να επιτευχθεί η τήρηση των απαιτούμενων ορίων για το συγκεκριμένο ποσοστό αξιοπιστίας. Το εμπειρικό μοντέλο Vollenweider συμφωνεί με τα αποτελέσματα από το μοντέλο ΛΕΡΝΗ σε περιπτώσεις λιμνών χωρίς προβλήματα ευτροφισμού, ενώ δίνει δυσμενέστερα αποτελέσματα σε περιπτώσεις λιμνών που είναι ευαίσθητες στον ευτροφισμό. Η χρήση του είναι βοηθητική και στοχεύει στην εξαγωγή γενικών συμπερασμάτων για την τροφική κατάσταση του υδάτινου σώματος έτσι ώστε να πραγματοποιηθεί περαιτέρω διερεύνηση όπου κρίνεται απαραίτητο.	el
heal.abstract	In recent years, improved living standards for people and various rapid technological developments have caused an increase in pollution loads of human origin that end up in water bodies. Nutrient enrichment of water, particularly with nitrogen and phosphorus, results in excessive plant growth. This constitutes the phenomenon of eutrophication, an important environmental issue that mainly occurs in lakes and enclosed bays. The need to address the problem of eutrophication led the European Commission to adopt a framework directive in order to implement certain provisions that are common for all Member States. The 2000/60/EC Directive or Water Framework Directive, into force since December 2000, includes articles with definitions of basic concepts, innovative arrangements and measures for the proper management of water resources. According to the Directive, the main objective is to achieve good status in water bodies by 2015. Eutrophication is approached as an individual indicator of the ecological status of water bodies. Moreover, limits of biological, hydromorphological, chemical and physicochemical elements to be reviewed are introduced. According to the Directive, in cases of extensive human interventions in an aquatic system where specific conditions are met, the system can be considered an artificial water body (AWB) or a heavily modified water body (HMWB). When referring to an AWB or a HMWB, the Directive uses the notion of ecological potential instead of that of ecological status. This thesis aims to assess the ecological potential of HMWBs of artificial lakes in Greece. Making use of data from the Integrated Management Plans drawn up by the Ministry of Environment, a list of all ΗΜΒWs of artificial lakes in Greece has been compiled, out of which the HMWBs of the artificial Ladon, Kremasta, Kastraki, Aoos Springs and Pournari lakes have been selected for further study. The ecological potential of the HMWBs of Kremasta and Kastraki is described as good and that of the HMWBs of Ladon, Aoos and Pournari as unknown. A wide variety of different types and features of models, in which mathematical equations are used to describe physical, chemical and biological processes that take place within a water body, have been developed for the water quality assessment. Various types of software developed in recent years make use of these models. The assessment of the ecological study of the HMWBs discussed in this thesis is achieved using the LERNE software, which applies a eutrophication/dissolved oxygen model, and the Vollenweider-OECD empirical model. At first, the data available for the case of each HMWB is presented. The hydrological data have been compiled by the Public Power Corporation and refer to overall inflows and outflows of the reservoirs of the projects as well as the level, surface and water volume of the reservoirs used for the geometry data section of the software. The data given refer to a specific time period of years and are utilized to hypothesize a scenario of possible water years and the corresponding hydrologic conditions that can occur in the project. Data on pollution loads that end up in the lakes are collected from the Integrated Management Plans and derive from recent studies. Furthermore, relationships that point to temperature and solar radiation in each lake are used and appropriate values are entered as initial conditions for the parameters examined. The parameters examined are the following: chlorophyll-a, inorganic and organic phosphorus, ammoniacal nitrogen and nitrates, dissolved oxygen and organic carbon. The LERNE software runs a simple simulation that delivers results for the parameters mentioned above and also information on the water level and volume variation in the reservoir over time. A comparison is carried out, using limits set by the Directive for key parameters, as well as an assessment of the ecological potential of each HMWB. In cases of the Kremasta and Kastraki HMWBs, where the ecological potential is a known and given factor, actual measurements by the General State Laboratory are used in order to be compared to the results of the simulation. This comparison aims to verify the reliability of the software. In the next step, the Vollenweider model is used to assess the quality status of the lake. In the diagram two boundary lines can be discerned. Those are the permissible loading line and the excessive loading line. When a point on the chart is below the permissible loading line, the lake does not face eutrophication problems. However, if the point exceeds the excessive loading line, the lake is considered sensitive to eutrophication. As far as the rest of the cases are concerned, a safe conclusion on the trophic status of the lake cannot be reached and further investigation is required. Given the results of the aforementioned applications, a stochastic simulation is carried out for each HMWB case using the LERNE software. Random variations within a range of possible values with specific parameters and incoming pollution loads are applied in the stochastic simulation in order to reduce the uncertainty of the input data. Non-exceedance probability curves for a given acceptable reliability are derived and a comparison of the results of 95% and 90% acceptable reliability to the limits of the Directive is carried out in order to assess the ecological potential of each HMWB in these cases. Taking both the conclusions from the use of the LERNE software and the Vollenweider model into consideration, possible scenarios aiming at the reduction of pollution loads where necessary are reviewed. Initially, a general reduction of all pollution loads in each HMWB is implemented and the minimum percentage of reduction to be applied in order to ensure compliance with the limits of the Directive for all parameters is checked. Afterwards, a targeted load reduction is reviewed, recommended solutions considered the most effectively managed are submitted and a simple simulation applying the LERNE software and the Vollenweider model for every solution is carried out. In some cases, a stochastic simulation of the load reduction implementation is also carried out using the LERNE software. The results are compared to the limits of the Directive and new conclusions on the ecological potential of HMWBs are drawn after considering the management measures. The evaluation of all the applications mentioned resulted in the following main observations: The LERNE software is an effective tool in: • Supplementing information on HMWBs in the Integrated Management Plans. • Assessing the ecological potential of HMWBs when their status is unknown. • Forecasting the future ecological potential of HMWBs where altered hydrological conditions and pollution loads will be prevalent. • Applying various scenarios of pollution load reduction, further aiming at the review of appropriate management measures to avoid eutrophication risks. • Running stochastic simulations that introduce the concept of probability and give insight into the ecological potential of HMWBs for a specific percentage of acceptable reliability. What is more, load reductions can be reviewed in order to achieve compliance with the required acceptable reliability limits. In cases of lakes with no eutrophication problems, the empirical Vollenweider model coincides with the LERNE model results, while in cases of lakes sensitive to eutrophication its results are less favorable. Its use is auxiliary and aims at drawing a general conclusion on the trophic status of a water body so as to allow further investigation where necessary.	en
heal.advisorName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Ανδρεαδάκης, Ανδρέας	el
heal.committeeMemberName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Τσουκαλά, Βασιλική	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Υδατικών Πόρων και Περιβάλλοντος	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	397 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true