Μέθοδοι Εκτίμησης, Εκμετάλευσης και Βέλτιστης Διαχείρισης των Ομβρίων Υδάτων στη Θεσαλλία

Abstract

Η παρούσα εργασία έχει τρεις αντικειμενικούς στόχους: 1. Να μελετήσει σε βάθος τις μεθόδους συλλογής της όμβριας απορροής (Rain Water Harvesting - RWH). 2. Να προτείνει τεχνικές κατάλληλες προς εφαρμογή στην υδρολογική λεκάνη του ποταμού Πηνειού στην Θεσσαλία. 3. Να καταρτίσει μια αιτιολογημένη γενική μέθοδο αξιολόγησης της καταλληλότητας εφαρμογής των επιλεγμένων μεθόδων σε μία περιοχή. Αρχικά γίνεται μια ολοκληρωμένη επισκόπηση της περιοχής μελέτης που είναι η λεκάνη απορροής του ποταμού Πηνειού, η οποία καταλαμβάνει το μεγαλύτερο μέρος του υδατικού διαμερίσματος της Θεσσαλίας. Το υδατικό διαμέρισμα της Θεσσαλίας καλύπτει συνολική έκταση 13.377 km2 και έχει πληθυσμό 750.445 κατοίκους (απογραφή 2001). Περιλαμβάνει την μεγαλύτερη πεδινή έκταση της Ελλάδος. Το υδατικό διαμέρισμα συμπίπτει σχεδόν με το αντίστοιχο γεωγραφικό, όπως φαίνεται στον πίνακα που ακολουθεί. Στο υδατικό διαμέρισμα της Θεσσαλίας έχουν κατασκευαστεί πλήθος τεχνικών έργων για την αποθήκευση νερού (π.χ. ταμιευτήρας Πλαστήρα, Σμοκόβου, κ.α.). Παρόλα αυτά, η ζήτηση νερού ιδίως στις πεδινές περιοχές του διαμερίσματος είναι πολύ μεγαλύτερη από την προσφορά με αποτέλεσμα την υπεράντληση των υπογείων υδάτων. Κύριος καταναλωτής αυτού του νερού όπως είναι αναμενόμενο είναι η γεωργία. Παρά τον μεγάλο γεωργικό πλούτο παρατηρείται άτονη οικονομική ανάπτυξη σε σχέση με τις παραγωγικές δυνατότητες της περιοχής. Κατόπιν εξετάζεται το φαινόμενο της ξηρασίας στην Θεσσαλία. Τα τελευταία σαράντα χρόνια η Θεσσαλία αντιμετώπισε αρκετές φόρες περιόδους ξηρασίας με αποκορύφωμα εκείνες που συνέβησαν κατά το δεύτερο μισό της δεκαετίας του 1970 και στην αρχή της δεκαετίας του 1990. Το Υδατικό Διαμέρισμα της Θεσσαλίας εξαιτίας των υπεραντλήσεων νερού από τον υπόγειο υδροφορέα έχει καταστεί ιδιαίτερα τρωτό σε φαινόμενα ξηρασίας. Την κατάσταση αυτή επιτείνει η εγγενής ευαισθησία των καλλιεργειών της περιοχής στην έλλειψη νερού. Εν συνεχεία, γίνεται εκτενής αναφορά στην αξιοποίηση της όμβριας απορροής καθώς και στις μεθόδους με τις οποίες αυτή επιτυγχάνεται. Με στόχο να αποφευχθούν οι πολύπλοκες κατηγοριοποιήσεις, για τους σκοπούς της παρούσας εργασίας υιοθετήθηκε η ομαδοποίηση κατά SIWI (2001), όπως διαγραμματικά ακολουθεί. Στη μελέτη αυτή εξετάστηκαν δύο κατηγορίες μεθόδων συλλογής της όμβριας απορροής (RWH): • οι μέθοδοι επιτόπιας συλλογής (in situ), όπου η συλλογή των όμβριων υδάτων γίνεται άμεσα στις επιφάνειες πρόσπτωσης. • οι τεχνικές απομακρυσμένης δέσμευσης (ex situ), όπου η όμβρια απορροή μιας περιοχής συλλέγεται και μεταφέρεται σε άλλη τοποθεσία. Στην κατηγορία των έργων επιτόπιας συλλογής συμπεριελήφθησαν οι ημικυκλικές ζώνες, οι ρομβοειδείς σκάφες, οι τριγωνικές ζώνες και τα καμπύλα αναχώματα. Στην κατηγορία των έργων απομακρυσμένης συλλογής της όμβριας απορροής εξετάστηκαν τα μικρά φράγματα (με ύψος μικρότερο των 7m) και οι λιμνοδεξαμενές. Γίνεται ιδιαίτερα εκτενής περιγραφή των δεδομένων που χρησιμοποιήθηκαν. Πρέπει να αναφερθεί πως αυτά προέρχονται στο σύνολο τους από το ερευνητικό πρόγραμμα i-adapt και είναι σε μορφή άμεσα επεξεργάσιμη από τα Συστήματα Γεωγραφικών Πληροφοριών (GIS). Επιγραμματικά αυτά είναι :  Ψηφιακό μοντέλο εδάφους (DEM)  Χάρτης χρήσεων γης  Χάρτης 49 υπολεκανών  Χάρτης υδρολογικού δικτύου  Χάρτης αρδευτικών καναλιών  Χάρτης γεωτρήσεων  Χάρτης ελλείμματος αρδευτικού νερού από τον υπόγειο υδροφορέα Ακολούθως αναπτύσσεται η μεθοδολογία της επιλογής κατάλληλων θέσεων εγκατάστασης έργων επιτόπιας συλλογής. Κρίνεται κατάλληλη η εφαρμογή τους σε δενδρώδεις καλλιέργειες καθώς δεν απαιτούν έντονα μηχανοποιημένη καλλιέργεια και καθώς κατά την περίοδο ανάπτυξής των δένδρων μεσολαβούν σύντομα διαστήματα χωρίς βροχοπτώσεις, την έλλειψη των οποίων μπορούν να καλύψουν τα εν λόγω έργα. Βασική προϋπόθεση για να επιλεγεί μια περιοχή είναι να πληροί τις προδιαγραφές των μεθόδων, όπως φαίνονται στον πίνακα που ακολουθεί. Η αξιολόγηση των θέσεων εγκατάστασης των έργων απομακρυσμένης συλλογής της όμβριας απορροής (macro RWH) έγινε σε επίπεδο λεκάνης απορροής. Για τον σκοπό αυτό καταρτίστηκε ένας δείκτης καταλληλότητας, ο οποίος προέκυψε από την ιεράρχηση 5 κατάλληλων κριτηρίων για την εγκατάσταση η όχι των έργων αυτών. Τα κριτήρια αυτά είναι: 1. Όγκος νερού για πιθανή συλλογή (V) 2. Η παρούσα και μελλοντική έκταση των αρδευόμενων καλλιεργειών στην περιοχή (ΙΑ) 3. Έλλειμμα αρδευτικού νερού στην περιοχή (D) 4. Περιορισμοί λόγω εδαφικών κλίσεων στην κατασκευή των έργων (S) 5. Πυκνότητα του αρδευτικού δικτύου στην περιοχή (CD) Στην πρώτη φάση της ανάλυσης κατασκευάζεται ο Δείκτης Δυναμικότητας (RWH Potentiality Index) με αποκλειστική χρήση των κριτηρίων 1 και 2. Ο δείκτης αυτός εξετάζει την δυναμικότητα των διάφορων τοποθεσιών για την κατασκευή έργων macro RWH, χωρίς να λαμβάνονται υπ όψη οι εκάστοτε περιορισμοί και υπολογίζεται από την ακόλουθη εξίσωση: RWH PI = 0,6 V + 0,4 IA H απόδοση βαρών στα κριτήρια έγινε με την Μέθοδο Αναλυτικής Ιεράρχησης (AHP). Αφού τα κριτήρια ιεραρχήθηκαν με βάση την επιρροή τους στον καθορισμό κατάλληλων θέσεων, πραγματοποιήθηκε μεταξύ τους σύγκριση με κατάλληλη ποσοτικοποίηση και δημιουργήθηκαν έτσι κατάλληλα βάρη για το κάθε ένα κριτήριο, όπως φαίνεται στον ακόλουθο πίνακα. Προκύπτει με αυτόν τον τρόπο ο Δείκτης Καταλληλότητας, RWH Suitability Index (RWH SI) που αξιολογεί την καταλληλότητα των υπολεκανών για την κατασκευή έργων macro RWH. RWH SI = 0.4136 * Score_V + 0.2693 * Score_IA + 0.157 * Score_D + 0.0544 * Score_CD + 0.1056 * Score_S Ο Βαθμός ικανοποίησης κάθε κριτηρίου ποσοτικοποιείται σε μία κλίμακα 5 κλάσεων ίσου εύρους από 1 (χαμηλό) έως 5 (υψηλό) στην οποία βαθμολογούνται οι λεκάνες, ανάλογα με το πόσο ικανοποιούν κάθε κριτήριο. Τα αποτελέσματα του δείκτη παρουσιάζονται σε χάρτες καταλληλότητας. Τέλος παρουσιάζονται τα συμπεράσματα και οι προτάσεις που, προέκυψαν από την παρούσα εργασία. Από την μελέτη της βιβλιογραφίας προκύπτει ότι πολλοί πολιτισμοί βασίζουν μεγάλο μέρος της επιβίωσής τους στις τεχνικές συλλογής όμβριου νερού. Τον περασμένο αιώνα οι τεχνικές αυτές εγκαταλείφθηκαν στις ανεπτυγμένες κοινωνίες λόγω της ανάπτυξης των τεχνολογικών μέσων. Έτσι προτιμήθηκε η κατασκευή υδραυλικών έργων μεγάλης κλίμακάς. Σήμερα, λόγω της κλιματικής αλλαγής και της περιβαλλοντικής ευαισθησίας, παρατηρείται στροφή προς τα έργα μικρής κλίμακας, στα οποία περιλαμβάνονται τα έργα συλλογής της όμβριας απορροής. Από τις δύο κατηγορίες έργων, που διερευνήθηκαν, μεγαλύτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν τα έργα απομακρυσμένης συλλογής όμβριας απορροής. Σε μελλοντικές εργασίες ιδιαίτερό ενδιαφέρον θα είχε η προγραμματιστική υλοποίηση του δείκτη, γεγονός που θα επιτρέψει την εφαρμογή του σε λιγότερο αδρή χωρική εστίαση (έξοδοι μικρότερων υπολεκανών) με ελάχιστο ανθρώπινο κόπο. Με αυτό τον τρόπο ο δείκτης θα καταστεί ένα εύχρηστο επιχειρησιακό εργαλείο στα χέρια του μελετητή έργων συλλογής της όμβριας απορροής. Τα αποτελέσματα της εφαρμογής του δείκτη δίνουν την δυνατότητα στον μελλοντικό ερευνητή να καθορίσει τις περιοχές στις οποίες θα εστιάσει το ενδιαφέρον του όχι για να εξετάσει την καταλληλότητα των περιοχών για την εφαρμογή τεχνικών RWH αλλά για να μελετήσει την βιωσιμότητα και την αποδοτικότητα συγκεκριμένων έργων όπως ένα φράγμα ή μία λιμνοδεξαμενή

The thesis has three objectives: 1. An in-depth analysis of the rainwater harvesting collection methods (RWH). 2. To evaluate and suggest proper establishments for Pinios basin in Thessaly. 3. To develop a generic evaluation method to properly apply the selected methods in a region As a first step, a general overview of the region of interest (Pinios basin) is undertaken. Pinios basin covers the largest part of Thessaly water district. The area of Thessaly water district is equal to 13.377 km2 and its population was estimated at 750.445 residents in 2001. It also contains the biggest plain area of Greece. The water district is very close to the geographical, as the following table indicates. Within the Thesally Water District a variety of infrastructures have been developed to store and manage water (e.g. Plastiras and Smokovo reservoirs). However, water demand is much higher compared to the available resources (especially in the southern areas of the prefecture) and this forces local farmers to use groundwater leading to sever overexploitation. As a next step the drought phenomenon is examined. For the last forty years, Thessaly faced many times impact of droughts, with the most significant ones, occurring within the second half of 70's and between 80's and 90's. It is concluded that Thessaly remains very vulnerable to droughts to this day. The thesis then focuses on rain water harvesting as a possible intervention options. An overview of rainwater harvesting methods is first attempted. A grouping of these methods (SIWI 2001) follows: In this study, two categories of rainwater harvesting were examined. The first one is in-situ rainwater harvesting, where water is gathered directly from catchment surfaces. The second is ex-situ rainwater harvesting where water is directed from the catchment to another location.

The thesis then presents data collected and processed for the case study area, including DEM, Land use/cover map (Corine Land Cover), A map of 49 sub-basins of Pinios, Hydrology network map, Irrigation map and Borehole map, Irrigation water deficit map.

A methodology is then developed, enabling the positioning of in-situ water harvesting methods. The main restrictions for in-situ rainwater harvesting techniques are presented in the following table: The proposed installation sites for ex-situ rainwater harvesting, were also examined at the basin level on the basis of an index that was developed for this purpose. This index was based in 5 criteria: 1. Volume of water for potential harvesting (V) 2. Presence and extend of irrigated crops in the area (IA) 3. Irrigation water deficit in the area (D) 4. Slopes imposing constraints to the construction of RWH-related works (S) 5. Density of the irrigation network in the area (CD) The analysis uses only criteria 1 and 2 as an initial screening on the basis of the equation below, to estimate the potential for implementation of these rainwater harvesting methods: RWH PI = 0,6 V + 0,4 IA (Potentiality Index) The AHP method was then applied to weight the full set of criteria for the areas that pass the screening. The following RWH Suitability Index was then proposed (RWH SI). RWH SI = 0.4136 * Score_V + 0.2693 * Score_IA + 0.157 * Score_D + 0.0544 * Score_CD + 0.1056 * Score_S The values of fulfillment of these criteria were divided into 5 ranges (1:low, 5:high). These values are applied to basins, based on their individual characteristics. Results are offered in maps, representing the index. Finally conclusions and future prospects are offered. Future work could include the development of a tool that calculates automatically the index, based on GIS input data. This could improve efficiency in terms of economy and man hours. Examination of smaller basins could improve the results. Finally examination of the durability of these methods should also be examined prior to implementation. It is suggested that the proposed index may become a valuable tool for future engineers to assist in the installation of RWH in rural environments.