Καταγραφή και αξιολόγηση ποιότητας νερού υδατορευμάτων: η περίπτωση του ρέματος Ραφήνας, Αττικής

Abstract

Μελετήθηκε η ποιοτική κατάσταση των υδατορευμάτων της υδρολογικής λεκάνης της Ραφήνας Νομού Αττικής. Για τον σκοπό αυτό, ορίστηκε ένα δίκτυο 20 σταθμών δειγματοληψίας, λήφθηκαν δείγματα επιφανειακού νερού, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις παροχής, προσδιορίστηκαν στο εργαστήριο παράμετροι ποιότητας νερού, συλλέχθηκε όλη η απαραίτητη χωρική πληροφορία και έγινε η εισαγωγή της σε περιβάλλον GIS, ενώ στην συνέχεια ακολούθησε η στατιστική επεξεργασία και αξιόλογηση των αποτελεσμάτων. Οι εργασίες υπαίθρου περιελάμβαναν τα εξής: (1) εντοπισμός σημείων με ευκολία πρόσβασης για την μεταφορά του εξοπλισμού, (2) καταγραφή των συντεταγμένων της κάθε θέσης με GPS ακρίβειας λίγων μέτρων, (3) επί τόπου μέτρηση της παροχής με μυλίσκο ή την μέθοδο του πλωτήρα ανάλογα με τις συνθήκες, (4) μετρήσεις των γεωμετρικών χαρακτηριστικών της διατομής για τον προσδιορισμό της βρεχόμενης επιφάνειας, και (5) προσδιορισμό των χημικών παραμέτρων (pH, αγωγιμότητα, αλατότητα, TDS, θερμοκρασίας) με την χρήση πολύμετρου. Οι εργαστηριακές αναλύσεις των δειγμάτων επιφανειακού νερού, περιελάμβαναν τον προσδιορισμό των κύριων ιόντων (SO42-, ΝΟ3-, PO42-, F-, Br-, NH4+, NO2-, Cl-, Li+, Na+, K+, Mg2+,Ca2+), ορισμένων ιχνοστοιχείων (Crt, Crs, Cot, Cos, Nit, Nis, Znt, Zns, Cut, Cus, Mnt, Mns, Cdt, Cds, Pbt, Pbs), των ολικών αιωρούμενων στερεών (TSS) και της αλκαλικότητας (μορφές HCO3-, CO32-). Οι χημικές αναλύσεις πραγματοποιήθηκαν στα Εργαστήρια της Διασχολικής Σύμπραξης του ΕΜΠ. Πιο συγκεκριμένα: α) Στο Εργαστήριο Εγγειοβελτιωτικών Έργων και Διαχείρισης Υδατικών Πόρων, που ανήκει στην Σχολή Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών ΕΜΠ, πραγματοποιήθηκε ο προσδιορισμός των κυρίων ιόντων με την χρήση ιοντικής χρωματογραφίας (DIONEX: ICS 3000) και ο προσδιορισμός της αλκαλικότητας με τιτλοδότηση (μέθοδος HACH) β) Στο Εργαστήριο Ανόργανης και Αναλυτικής Χημείας, που ανήκει στην Σχολή Χημικών Μηχανικών ΕΜΠ, πραγματοποιήθηκε η ανάλυση των ιχνοστοιχείων με ICP-MS (AGILENT: MassHunter 7700) γ) Στο Εργαστήριο Υγειονομικής Τεχνολογίας, που ανήκει στην Σχολή Πολιτικών Μηχανικών ΕΜΠ, πραγματοποιήθηκαν οι αναλύσεις των ολικών αιωρούμενων στερεών με βαρυμετρική μέθοδο και των νιτρικών ιόντων με την χρήση φασματοφωτόμετρου (HACH: DR2800) Η επεξεργασία και ανάλυση των χωρικών δεδομένων πραγματοποιήθηκε με την χρήση του λογισμικού πακέτου ArcGIS v.9.3 που διατίθεται στο Κέντρο Γεωπληροφορικής της Σχολής Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών του ΕΜΠ. Τα δεδομένα που συλλέχθηκαν ήταν τα εξής: • Ψηφιακά γεωγραφικά δεδομένα (ισουψείς, ακτογραμμή, γνωστά σημεία υψομέτρων, ρέματα) τα οποία παραχωρήθηκαν από το κέντρο Γεωπληροφορικής (δεδομένα της εταιρείας Geospatial Enabling Technologies, GET, και της DigitaGlobe) • Τοπογραφικοί χάρτες 1:50 000 της Γεωγραφικής υπηρεσίας Στρατού – ΓΥΣ. Οι χάρτες σαρώθηκαν στον σαρωτή Colortrac SmartLF Gx+ 42 που είναι εγκατεστημένος στο Κέντρο Γεωπληροφορικής της Σχολής Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών του ΕΜΠ • Γεωλογικοί χάρτες του ΙΓΜΕ 1:50 000 οι οποίοι επίσης σαρώθηκαν στον σαρωτή Colortrac SmartLF Gx+ 42 • Για τις χρήσεις γης χρησιμοποιήθηκε πληροφορία CORINE σε ανάλυση 1:100 000 του 2000. Τα δεδομένα παραχωρήθηκαν από το εργαστήριο Χαρτογραφίας της Σχολής Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών του ΕΜΠ

Από την επεξεργασία των ψηφιακών δεδομένων δημιουργήθηκαν: • το ψηφιακό μοντέλο εδάφους • ο ψηφιακός γεωλογικός χάρτης • ο χάρτης χρήσεων γης • ο χάρτης κλίσεων εδάφους • όλοι οι απαραίτητη θεματικοί χάρτες για την παρουσίαση των αποτελεσμάτων.

Μετά την συλλογή όλων των απαραίτητων δεδομένων ακολούθησε η ανάλυση και η αξιολόγηση των αποτελεσμάτων. Αυτή περιελάμβανε: • Τον προσδιορισμό της παροχής των υδατορευμάτων για την κάθε θέση δειγματοληψίας • Για την κάθε χημική παράμετρο πραγματοποιήθηκε στατιστική ανάλυση που περιελάμβανε τον προσδιορισμό των περιγραφικών στατιστικών, τον έλεγχο της κατανομής των τιμών του δείγματος, ενώ, όπου ήταν αναγκαίο δημιουργήθηκαν θεματικοί χάρτες για την απεικόνιση της χωρικής κατανομής των συγκεντρώσεων ώστε να διευκολύνουν την ερμηνεία των παρατηρούμενων διαφοροποιήσεων • Ανάλυση συσχέτισης για το σύνολο των μετρηθέντων χημικών παραμέτρων • Εφαρμογή της παραγοντικής ανάλυσης • Χρησιμοποιήθηκε το σύστημα κατάταξης του νερού που προτείνει ο Οργανισμός Τροφίμων και Γεωργίας (FAO) για την αξιολόγηση της καταλληλότητας του νερού των υδατορευμάτων της υδρολογικής λεκάνης του ρέματος Ραφήνας για αρδευτική χρήση • Αξιολόγηση της ποιότητας του νερού των υδατορευμάτων με βάση τα ΠΠΠ της ΚΥΑ Η.Π. 51354/2641/Ε103

Τα κυριότερα συμπεράσματα που προέκυψαν στα πλαίσια της διπλωματικής αυτής εργασίας συνοψίζονται παρακάτω: 1. Η υδρολογική λεκάνη της Ραφήνας είναι περισσότερο κυκλική παρά επιμήκης με μέσο υψόμετρο 220 m και μέγιστο υψόμετρο 950 m 2. Ο φυσικός υδροκρίτης της λεκάνης έχει επηρεαστεί από σημαντικά τεχνικά έργα (αεροδρόμιο «Ελευθέριος Βενιζέλος», έργα εκτροπής της πλημμυρικής παροχής της γειτονικής λεκάνης του ρέματος Ποδονίφτη) 3. Στην υδρολογική λεκάνη του ρέματος Ραφήνας αναπτύσσεται μεγάλη ποικιλία χρήσεων γης, οι οποίες περιλαμβάνουν κυρίως την οικιστική και αγροτική δραστηριότητα 4. Με βάση τους ελέγχους κατανομής προέκυψε ότι η κανονική και η λογαριθμοκανονική κατανομή μπορούν να υιοθετηθούν για την περίπτωση των χημικών παραμέτρων, αν και το μικρό μέγεθος του δείγματος (20 θέσεις) δεν επιτρέπει την ικανοποιητική απεικόνιση των ιστογραμμάτων 5. Η ανάλυση συσχέτισης κατέδειξε ένα μεγάλο αριθμό συσχετίσεων, στατιστικά αποδεκτών, μεταξύ των παραμέτρων που μετρήθηκαν. Η ανά δύο όμως συσχέτιση των παραγόντων οδήγησε σε δυσκολία ερμηνείας και εξαγωγής χρήσιμων συμπερασμάτων και για τον λόγο αυτό αποτέλεσε ουσιαστικά ένα αρχικό βήμα για την εφαρμογή της παραγοντικής ανάλυσης 6. Η παραγοντική ανάλυση για το νερό των υδατορευμάτων της υδρολογικής λεκάνης της Ραφήνας, που εξηγεί το 85.4% της συνολικής διακύμανσης, έδειξε την παρουσία τριών ομάδων συσχετιζόμενων ποιοτικών παραμέτρων. Ο πρώτος παράγοντας αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο ποσοστό 50.1% της συνολικής διακύμανσης και συνδέεται με την λιθολογία της περιοχής. Ο δεύτερος παράγοντας αντιπροσωπεύει ποσοστό 20.7% της συνολικής διακύμανσης συνδέεται με τα βελτιωτικά εδάφους (λιπάσματα) που χρησιμοποιούνται στην γεωργία. Ο τρίτος παράγοντας αντιπροσωπεύει ποσοστό 14.5% της συνολικής διακύμανσης εκφράζει την επίδραση των διαφορετικών λιθολογικών σχηματισμών στην ποιότητα των επιφανειακών νερών της περιοχής 7. Με βάση το σύστημα κατάταξης το οποίο έχει παρουσιάσει ο Οργανισμός Τροφίμων και Γεωργίας (FAO) συμπεραίνεται ότι, το επιφανειακό νερό των υδατορευμάτων της υδρολογικής λεκάνης της Ραφήνας, παρουσιάζει ποιοτικά χαρακτηριστικά τέτοια που ενώ είναι κατάλληλο για αρδευτική χρήση, μετά από συνεχή χρήση θα μπορούσε να δημιουργήσει προβλήματα στις καλλιέργειες 8. Η αξιολόγηση ως προς τα Πρότυπα Ποιότητας Περιβάλλοντος της ΚΥΑ Η.Π. 51354/2641/Ε103 προέκυψε ότι σε καμιά θέση δειγματοληψίας δεν παρουσιάστηκε υπέρβαση των συγκεντρώσεων σε σχέση με τα τεθέντα ΠΠΠ

The qualitative state of the streams of the Rafina hydrological basin in Attica was studied. For this purpose, a network of 20 sampling stations was designated and samples of surface water were collected, measurements of discharge were conducted and qualitative parameters of water samples were defined at the laborator. Also collected all spatial data and were entered in a GIS platform. Followed statistical analysis and evaluation of the results. Fieldwork included the following: (1) The designation of sampling sites with easy access in order to transport the equipment, (2) registration of each site’s coordinates using GIS with a measurement accuracy of a few meters (3) in situ measurement of the discharge using a small current meter or the float method, depending on the situation, (4) measurements of the geometrical characteristics of the stream cross-section in order to determine the wet surface, and (5) determination of the chemical parameters (pH, conductivity, salinity, TDS, temperature) with the use of a multiparameter. Laboratory analyses of surface water samples included the determination of major ions (SO42-, ΝΟ3-, PO42-, F-, Br-, NH4+, NO2-, Cl-, Li+, Na+, K+, Mg2+,Ca2+), of some trace elements (Crt, Crs, Cot, Cos, Nit, Nis, Znt, Zns, Cut, Cus, Mnt, Mns, Cdt, Cds, Pbt, Pbs), of total suspended solids (TSS) and of alkalinity (in the form of HCO3-, CO32-). Chemical analyses were conducted at the intradepartmental laboratories of the National and Technical University of Athens. More specifically: a) The determination of major ions was conducted in the Land Reclamation and Water Resources Management Laboratory of the School of Rural and Surveying Engineering of the NTUA, using ion chromatography (DIONEX: ICS 3000) and the determination of the alkalinity was done using titration method (HACH method). b) The analysis of trace elements was materialized at the Inorgmanic and Analytical Chemistry Laboratory of the School of Chemical Engineers NTUA, using the ICP-MS method (AGILENT: MassHunter 7700). c) The analyses of the total suspended solids were conducted at the Sanitary Engineering Laboratory of the School of Civil Engineers NTUA, using the barometric method, while nitric ions were measured using a spectrophotometer (HACH: DR2800). The processing and analysis of spatial data was conducted using the ArcGIS v.9.3 software package, available at the Geoinformatics Center of the School of Rural and Surveying Engineering of the NTUA. The data that were gathered are as follows: • Digital geographical data (contour lines, shoreline, known altimetry points, streams), which were made available from the Geoinformatics Center (data of the Geospatial Enabling Technologies company, GET, and of DigitaGlobe) • Surveying maps 1:50 000 from the Hellenic Military Geographical Service - MGS. The maps were scanned using a Colortrac SmartLF Gx+ 42 scanner installed at the the Geoinformatics Center of the School of Rural and Surveying Engineering of the NTUA • Geologic maps 1:50 000 from IGME, which also were scanned using the Colortrac SmartLF Gx+ 42 scanner • Regarding land usage, the CORINE information of the year 2000 was used at a scale of 1:100 000. The data were made available by the Chartography lab of the School of Rural and Surveying Engineering of the NTUA

The processing of the digital data led to the creation of: • a digital elevation model • a digital geologic map • a land usage map • a slope map • all the needed thematic maps regarding the presentation of the results.

The gathering of all relevant data was followed by analysis and evaluation. These included: • the determination of stream discharge in every sampling site. • the statistical analysis of each chemical parameter which included the determination of descriptive statistics, the evaluation of the distribution of sample values, and, where needed, the creation of thematic maps that display the spatial distribution of element concentrations and facilitate the explanation of the observed differentiations. • the correlation analysis of the sum of measured chemical parameters. • the application of factorial analysis. • the implementation of the water categorization system sponsored by the Food and Agriculture Organization (FAO) for the evaluation of the suitability of the water sampled from the stream of the Rafina water basin for irrigation. • the evaluation of water quality of the streams based on the Environmental Quality Protocols of the Joint Ministerial Decision No. 51354/2641/Ε103.

Key conclusions reached during the implementation of the current study are presented briefly as follows: 1. The Rafina hydrologic basin is more cyclical than elliptical and has a mean altitude of 220 m and a maximum altitude of 950 m. 2. The natural watershed of the basin has been affected from major engineering projects (Eleftherios Venizelos airport, flood discharge diversion works in the neighboring Podoniftis basin). 3. The Rafina hydrologic basin displays a significant variety of land usage with major proportions belonging to housing and agricultural activities. 4. Based on sample distribution controls, the normal or log-normal distribution can be utilized for the chemical parameters, although the small sample size (20 sites) does not allow for a satisfactory histogram presentation. 5. The correlation analysis revealed a large number of correlations, statistically significant, across the studied parameters. On the other hand, the correlation of parameters in groups of two had difficulties in reaching an interpretation and useful conclusions, so it was only a first step in implementing the factorial analysis. 6. The factorial analysis of the stream water samples of the Rafina hydrologic basin which explains 85.4% of the total variance, has demonstrated the presence of three groups of correlated qualitative factors. The first factor represents the largest percentage (50.1%) of the total variance and is connected to the lithology of the area. The second factor represents the 20.7% of the total variance and is connected to the fertilizers used in agriculture. The third factor represents the remaining 14.5% of total variance and indicates the effect of the various lithological formations on the quality of the area’s surface water. 7. Based on the categorization system of the Food and Agriculture Organization (FAO) the conclusion is that the surface water of the Rafina hydrologic basin displays such qualitative characteristics that make it suitable for irrigation on the provision that it is not used for long periods, in order to avoid possible adverse effects on the crops. 8. The evaluation with regard to the Environmental Quality Protocols of the JMD 51354/2641/Ε103 concludes that in none of the sampling sites are there concentration levels above those set by the Environmental Quality Protocols.