Διαχείριση υδατικών πόρων στη λεκάνη απορροής του ποταμού Πηνειού υπό καθεστώς κλιματικής και κοινωνικοοικονομικής αλλαγής με χρήση του λογισμικού WEAP21

Abstract

Η περιοχή μελέτης είναι η λεκάνη απορροής Αλή Εφέντη, που αποτελεί υπολεκάνη του ποταμού Πηνειού. Η περίοδος αναφοράς καλύπτει τα έτη 1995-2010, ενώ η εξεταζόμενη περίοδος είναι το διάστημα 2015-2030. Στόχος της εργασίας είναι η διαχείριση των υδατικών πόρων της περιοχής μελέτης κάτω από συνθήκες κλιματικής και κοινωνικοοικονομικής αλλαγής, με επιπρόσθετη ενσωμάτωση περιβαλλοντικών απαιτήσεων για την ποσοτική κατάσταση των υδάτων. Αρχικά, πραγματοποιείται συλλογή και επεξεργασία όλων των απαραίτητων δεδομένων για τη σχηματοποίηση και τη μοντελοποίηση της περιοχής μελέτης. Πιο συγκεκριμένα, συγκεντρώνονται στοιχεία διοικητικής διαίρεσης και κοινωνικοοικονομικής οργάνωσης, δεδομένα χρήσεων γης, γεωμορφολογικές, γεωλογικές και υδρογεωλογικές πληροφορίες, κλιματικά και υδρομετεωρολογικά δεδομένα, στοιχεία προσφοράς, ζήτησης, απολήψεων, μεταφοράς, κατανάλωσης και επεξεργασίας νερού. Η επεξεργασία γίνεται σε περιβάλλον ΣΓΠ ή σε λογιστικά φύλλα. Αξιοποιώντας αυτές τις πληροφορίες, αναπτύσσεται το υδρολογικό και διαχειριστικό μοντέλο της περιοχής μελέτης. Το λογισμικό που χρησιμοποιείται για αυτήν την εργασία είναι το WEAP21. Για την εκτέλεση της βαθμονόμησης του μοντέλου, υλοποιείται η σύζευξη του WEAP21 με το περιβάλλον της Matlab. Ο αλγόριθμος βελτιστοποίησης που εφαρμόζεται είναι αυτός της προσομοιωμένης ανόπτησης. Τα αποτελέσματα της βαθμονόμησης και της επικύρωσης του μοντέλου κρίθηκαν πολύ ικανοποιητικά, λαμβάνοντας υπόψη τις τιμές των μέτρων επίδοσης που υπολογίστηκαν (αποτελεσματικότητα, συντελεστής γραμμικής και μεροληψία της μέσης τιμής). Προκειμένου να προσομοιωθεί η μελλοντική κατάσταση της περιοχής μελέτης κατά την περίοδο 2015-2030, πραγματοποιήθηκαν τριών ειδών επεξεργασίες. Πρώτον, παρελήφθησαν από το Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών οι μελλοντικές κλιματικές χρονοσειρές για την περιοχή μελέτης, με βάση το κλιματικό σενάριο Α1Β. Οι χρονοσειρές αυτές διορθώθηκαν ως προς τις ιστορικά παρατηρημένες και στη συνέχεια υπέστησαν επεξεργασία για την εξαγωγή στατιστικών συμπερασμάτων ως προς τη μεταβολή των αντίστοιχων υδροκλιματικών μεταβλητών. Δεύτερον, ακολουθώντας τη φιλοσοφία και τη διάρθρωση των παγκόσμιων κοινωνικοοικονομικών σεναρίων GEO-4 και των ευρωπαϊκών υδατικών σεναρίων SCENES διατυπώθηκε το πρωτότυπο ελληνικό κοινωνικοοικονομικό σενάριο G1: Confident & Competitive Greece. Βασικές παραδοχές του σεναρίου είναι η τάση παγκοσμιοποίησης της οικονομίας και φιλελευθεροποίησης των αγορών, η ισορροπημένη αξιοποίηση των ορυκτών πόρων και των ΑΠΕ, η ενισχυμένη λήψη αποφάσεων σε υπερεθνικό επίπεδο και η καθοριστική επιρροή των παραγόντων της οικονομίας στις τελικές αποφάσεις. Στο σενάριο αυτό η Ελλάδα αποφασίζει να εκπονήσει και να εφαρμόσει ένα Εθνικό Σχέδιο Ανασυγκρότησης και Ανάπτυξης, με την ευρύτερη συνεργασία πλήθους φορέων. Μέσω αυτού επιδιώκεται η βελτίωση της παραγωγικής της βάσης, η άνοδος της ανταγωνιστικότητας σε όρους οικονομικής απόδοσης και ποιότητας, η ενίσχυση της καινοτομίας, η απελευθέρωση της επιχειρηματικότητας και η προώθηση της εξωστρέφειας. Το σενάριο αυτό προσομοιώνεται με τη χρήση του λογισμικού International Futures (IFs), ώστε να ποσοτικοποιηθούν οι πιθανές επιπτώσεις του στα μεγέθη της προσφοράς και της ζήτησης νερού. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης, σε συνδυασμό με κατάλληλη βιβλιογραφία, συμβάλλουν στην εξειδίκευση του σεναρίου G1 στην περιοχής μελέτης. Η εξειδίκευση αυτή αποτελεί το υδατικό σενάριο P1. Η τρίτη επεξεργασία που πραγματοποιήθηκε αφορούσε τον υπολογισμό της φυσικοποιημένης απορροής στη θέση Αλή Εφέντη, σύμφωνα με τα αναφερόμενα στο Προσχέδιο Διαχείρισης Υδάτων του Υδατικού Διαμερίσματος της Θεσσαλίας. Το σενάριο περιβαλλοντικών απαιτήσεων που υιοθετήθηκε ήταν το μέσο, το οποίο προβλέπει ότι το 50% της φυσικοποιημένης απορροής θα πρέπει είναι διαθέσιμη στο περιβάλλον. Με βάση το κριτήριο αυτό, προσδιορίσθηκαν οι μήνες κατά τους οποίους οι απολήψεις είναι μεγαλύτερες από το επίπεδο που επιτρέπεται. Όπως προέκυψε, οι μήνες που θα αντιμετωπίσουν σοβαρό πρόβλημα είναι ο Ιούνιος, ο Ιούλιος, ο Αύγουστος και ο Σεπτέμβριος. Η ενσωμάτωση της κλιματικής αλλαγής, της κοινωνικοοικονομικής εξέλιξης και των παραπάνω περιβαλλοντικών απαιτήσεων κατά την περίοδο 2015-2030 (Σενάριο CCP1Env) έδειξε ότι το έλλειμμα του ισοζυγίου προσφοράς και ζήτησης νερού θα προσεγγίσει τα 166,6 hm3 (ποσοστό κάλυψης της ζήτησης 68,1%). Τα διαχειριστικά σενάρια που διατυπώθηκαν για την αντιμετώπιση αυτού του ελλείμματος είναι τρία. Το πρώτο είναι ένα σενάριο μηδενικής παρέμβασης. Σε αυτό η εξοικονόμηση νερού είναι αποτέλεσμα της εγγενούς τεχνολογικής αλλαγής, που συμβαδίζει με την κοινωνικοοικονομική εξέλιξη. Η εκτιμώμενη εξοικονόμηση νερού φτάνει το 6,7% της μελλοντικής ζήτησης ή 19% του ελλείμματος. Το δεύτερο είναι ένα σενάριο κινήτρων και μέτρων για την εξοικονόμηση νερού και τη βελτίωση της αποδοτικότητας στη χρήση του. Η εξοικονόμηση νερού σε αυτό εκτιμάται σε 30-35% της μελλοντικής ζήτησης ή 85-99% του ελλείμματος. Επιπλέον, διερευνήθηκε η δυνατότητα μείωσης του ελλείμματος μέσω της αναδιάρθρωσης των αρδευόμενων καλλιεργειών της πεδινής ζώνης. Όπως και στο πρώτο σενάριο, η εγγενής τεχνολογική αλλαγή θα μπορούσε να μειώσει τη μελλοντική ζήτηση κατά 6,7% ή 19% του ελλείμματος. Το υπόλοιπο 81% απαιτείται να καλυφθεί από τη μείωση της αρδευτικής ζήτησης κατά 32,2%. Η μείωση της αρδευτικής ζήτησης σε αυτό το επίπεδο επιχειρείται να γίνει με αναδιάρθρωση των καλλιεργειών, η οποία θα μεγιστοποιεί το μικτό γεωργικό εισόδημα και θα ελαχιστοποιεί την αρδευτική ανάγκη. Κάθε “βέλτιστη λύση” που προκύπτει εκφράζει έναν διαφορετικό συνδυασμό συνολικής αρδευόμενης έκτασης και ποσοστιαίας συμμετοχής των επιμέρους καλλιεργειών. Ωστόσο, τα αποτελέσματα εξαρτώνται σε καθοριστικό βαθμό από τις παραδοχές που ενσωματώνονται στον αλγόριθμο επίλυσης.

The study area is Ali Efenti catchment, a subcatchment of the broader Pinios river basin in the northwest Thessaly region, Greece. The baseline period spans over the years 1995-2010 and the study period comprises of the years 2015-2030. The scope of the thesis is water resources management under climate and socio-economic change, with an additional integration of environmental requirements for the quantitative state of the surface and underground water bodies. The data which was gathered and processed included administrative boundaries, socio-economic organization, land use, geomorphology, geology and hydrogeology, climate and hydrometeorology, supply, demand, abstractions, conveyance, distribution, consumption and water treatment. The processing was executed with GIS software or spreadsheets. The study area hydrological and water resources management model was developed using WEAP21, developed by Stockholm Environment Institute. Model calibration was executed via WEAP21-Matlab conjunction. The selected optimisation algorithm was simulated annealing, which is integrated in the Optimization Toolbox of Matlab. The performance criteria used were Efficiency (Nash-Sutcliffe coefficient), Correlation coefficient and Mean value bias. Calibration and validation results show good fitting of the model given the complexity of the study area and taking into account results from previous studies. Dynamically downscaled climatic timeseries, based on the A1B emission scenario, were obtained from the National Observatory of Athens. The climatic timeseries were compared with observed timeseries for the common historical period of 1980-2010. The overannual monthly mean and standard deviation were then corrected and the future timeseries were recalculated. Future socio-economic change was determined by developing the original socio-economic scenario G1: Confident & Competitive Greece. This scenario follows the concept and the structure of the Markets First scenario of the GEO-4 report and the Economy First scenario of the european project SCENES. The underlying assumptions of the scenario are the globalization trend, the liberalization of the markets, the balanced exploitation of fossil fuels and renewable energy, the enhancement of decision-making at the supranational level and the decisive influence of Markets-Businesses in policy-making. In this scenario, Greece decides to elaborate and implement a Reconstruction and Development National Plan, which is formed with broad cooperation and consensus. The primary objectives of the plan are productive base improvement, competitiveness rise in terms of economic efficiency and quality, innovation fostering, entrepreneurship liberalization and openness promotion. A key component of the scenario is the domestic migration of a substantial portion of urban population to the peri-urban and rural areas of Greece. The G1 scenario was simulated using the International Futures (IFs) software, to quantify the potential impact on water supply and demand. The simulation results, in combination with appropriate literature, contributed to the configuration of the G1 scenario in the study area. This configuration is the water scenario P1. P1 involves increase in water demand for the domestic, livestock and industry sector. Regarding the agricultural sector, no further increase is assumed. Irrigation needs would only increase as a result of climate change. The environmental requirements adopted were those of the moderate scenario, proposed by the Draft River Basin Management Plan of the river basin district of Thessaly. According to the moderate scenario, the 50% of the naturalised flow is required to be available for environmental purposes. Based on this criterion, the permitted abstractions per month were then calculated. The comparison between the permitted abstractions and the simulated ones revealed that future abstractions in June, July, August and September will violate the imposed restrictions. The simulation which integrated climate change, socio-economic development and environmental requirements during 2015-2030 (CCP1Env scenario) showed that the deficit between supply and demand in the study area will approach 166.6 hm3 (68.1% coverage of demand). Three response scenarios are regarded on the whole, with respect to deficit tackling. The R0 scenario assumes that no organised action towards water saving is taken. According to the available literature, the inherent technological change in the overall socio-economic evolution will make it possible to reduce future demand of the CCP1Env scenario by 6.7%. This would contribute to deficit reduction by 19%. The R1 scenario assumes that incentives are provided and water saving measures are implemented. Based on the available literature, it was estimated that such an option could reduce demand for water by 30-35% in the domestic and the agricultural sector, 25-30% for the livestock use and 35-40% in the industrial sector. Those prospects could reduce overall demand by 30-35%. This would contribute to deficit reduction by 85-99%. The R2 scenario incorporates the water saving potential included in the R0 scenario (19% of the deficit), due to the inherent technological change in the socio-economic evolution, but, beyond this, it also implements crop restructuring of the irrigated land in the lowland region. Irrigated land crop restructuring could contribute another 81% of the total deficit, which means that irrigation demand should be reduced by another 32.2%. The crop restructuring was implemented based on two criteria. These were gross agricultural income and irrigation need. Depending on the assumptions incorporated in the analysis and the restructuring emphasis on either water saving or income increase, a wide range of “best" solutions was discovered. Each of these solutions reflects a different area of irrigated land and an alternative crop combination. The general assumption which could be drawn is that irrigation demand reduction by 32.2% is feasible through crop restructuring, whereas the gross agricultural income could simultaneously increase. The most efficient cultivations in terms of gross income and irrigation need appear to be aloe vera, cauliflower & broccoli, pomegranate, tomato, asparagus and artichoke. The existing crops (sugarbeet, corn, alfalfa and cotton) are the least efficient.