1 ΒΕΛΤΙΣΤΕΣ ΑΡΧΕΣ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗΣ ΣΤΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΤΗΣ ΟΔΗΓΙΑΣ 2000/60 ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ Α. Στάμου, Γ. Χριστοδούλου, Α. Νάνου, Ι. Δημητρίου Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Υδραυλικής Τομέας ΥΠΥΘΕ –ΕΜΠ ΗΜΕΡΙΔΑ ΤΟΜΕΑ ΥΠΥΘΕ MΕΡΗ ΤΗΣ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗΣ 1.ΕΙΣΑΓΩΓΗ 2.ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΥΔΑΤΙΝΩΝ ΣΩΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΟΥΣ 3.ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ ΜΟΝΤΕΛΩΝ 4.ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ

2 1.ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο σκοπός της Οδηγίας 2000/60 είναι η θέσπιση ενός πλαισίου για την προστασία των επιφανειακών και των υπόγειων νερών. 1.1ΕΦΑΡΜΟΓΗ Επίτευξη των περιβαλλοντικών στόχων της Οδηγίας Χρήση Μαθηματικών Μοντέλων (ΜΜ) Στόχος: Εξέταση θεμάτων διαχείρισης νερών Απλά θέματα : Εξέλιξη της ρύπανσης σε ένα 1-D ποταμό Πολύ σύνθετα: Διαχείριση των νερών ενός ταμιευτήρα (σημαντικά τροποποιημένου ή τεχνητού επιφανειακού σώματος νερών) με 3-D ΜΜ υδροδυναμικής συμπεριφοράς και ποιότητας νερών

3 1.2ΣΤΑΔΙΑ ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗΣ Διαδικασία της μοντελοποίησης: Σε στάδια Απλοποιητική παραδοχή 3 σταδίων: 1.Δόμηση του μοντέλου 2.Βαθμονόμηση - επιβεβαίωση του μοντέλου 3.Εφαρμογή του μοντέλου

4 1.3ΕΠΙΔΙΩΞΕΙΣ ΣΤΑ ΠΛΑΙΣΙΑ ΤΗΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ Ειδικότερα για την επίτευξη των στόχων της Οδηγίας, συνιστάται να επιδιώκονται τα ακόλουθα: 1.Δόμηση ->Με σημαντικό βαθμό ολοκλήρωσης Ποσότητα (υδροδυναμικό) – ποιότητα Επιφανειακά - υπόγεια Εσωτερικά-Μεταβατικά-Παράκτια 2. Βαθμονόμηση + επιβεβαίωση-> Με μετρήσεις «υψηλής ποιότητας» Και ανάλυση ευαισθησίας 3.Συσχέτιση μοντελοποίησης παρακολούθησης Ένα ιδανικά δομημένο μοντέλο μπορεί να αποδειχθεί ανεπαρκές χωρίς την ύπαρξη μετρήσεων πεδίου Βελτιστοποίηση ενός δικτύου παρακολούθησης Απαιτείται: προγραμματισμός + συντονισμός δράσεων

5 1.4ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ ΓΙΑ ΥΠΟΓΕΙΑ ΝΕΡΑ 1.Δόμηση = δύσκολη Δύσκολη μαθηματική περιγραφή διεργασιών (υφαλμύρωση, επαναφόρτιση και μεταφορά-διάχυση ρύπων). Δύσκολη περιγραφή ορίων (οριακές συνθήκες) Νέος παράγων = έδαφος. 2.Βαθμονόμηση-επιβεβαίωση Απαιτείται νέα με μεταγενέστερη σειρά μετρήσεων. 3.ΜΜ = συχνά το μοναδικό εργαλείο διαχείρισης των υπόγειων νερών και κυρίως πρόβλεψης της συμπεριφοράς τους (αναγνώριση τάσεων)

6 2.ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΥΔΑΤΙΝΩΝ ΣΩΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΟΥΣ ΜΕ ΜΜ 2.1ΓΕΝΙΚΑ Για κάθε υδάτινο σώμα πραγματοποιείται: 1.Αρχικός χαρακτηρισμός 2.Αναγνώριση θέσης και ορίων 3.Καθορισμός συνθηκών αναφοράς για υδραυλικά μορφολογικά φυσικο-χημικά και βιολογικά (χαρακτηριστικών) στοιχείων (elements) του Συνθήκες αναφοράς: Τιμές στοιχείων που αντιστοιχούν στην υψηλή οικολογική κατάσταση ή στο μέγιστο οικολογικό δυναμικό του. Υπολογισμός συνθηκών αναφοράς: «(βλ. Παραρτήμα ΙΙ,1.3iii)... με πρακτικές ή μεθοδολογίες που περιλαμβάνουν ΜΜ μελλοντικής πρόβλεψης ή προβολής στο παρελθόν».

7 2.2ΥΔΡΑΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΟΤΑΜΩΝ ΚΑΙ ΛΙΜΝΩΝ ΠΟΤΑΜΟΣ Βασικά υδραυλικά και μορφολογικά στοιχεία: Υ, DY, Q, U και συνέχεια της παροχής κατά μήκος του ποταμού Υδροδυναμική συμπεριφορά χαρακτηρίζεται από: Χρονικές και χωρικές μεταβολές των Y (ή DY) και Q (ή U) ΛΙΜΝΗ Βασικά υδραυλικά και μορφολογικά στοιχεία: Υ, DY και V. Υδροδυναμική συμπεριφορά χαρακτηρίζεται από: Χρονικές μεταβολές του V Χαρακτηριστικά του πεδίου ροής (περιλ. της ανάμιξης) Χρόνος ανανέωσης των νερών της λίμνης (Θ)

8 1.Βάθος ροής. Κοινό στοιχείο για όλους τους τύπους των επιφαν. υδάτινων σωμάτων. Ισοδύναμο στοιχείο αποτελεί η στάθμη της επιφάνειας του νερού (Η) 2.Παροχή ποταμού. Μέσο άμεσης συσχέτισης ποιότητας-ποσότητας Συνθήκες αναφοράς: Καθορίζονται Q min για λόγους ποιότητας νερού και Q max για λόγους πλημμυρικής προστασίας ή διάβρωσης του πυθμένα 3.Όγκος νερού λίμνης. Υπολογίζεται από εξισώσεις της μορφής Η-V 4.Χρόνος παραμονής ή ανανέωσης νερών (Θ). Εχει ιδιαίτερη περιβαλλοντική σημασία όχι μόνο για λίμνες, αλλά και για παράκτιες περιοχές, κυρίως ημί-κλειστές ή κλειστές. Προσδιορίζεται πειραματικά με τις καμπύλες συγκέντρωσης-χρόνου (Flow Through Curves ή FTC).

9 2.3ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΩΜΑΤΟΣ ΥΠΟΓΕΙΩΝ ΝΕΡΩΝ Εκτίμηση βασικών χαρακτηριστικών και ιδιοτήτων (υδρ. αγωγιμότητα, αποθηκευτικότητα, πορώδες, εισροές-εκροές από γειτονικούς υδροφορείς, συντελεστές διαρροής ημιπερατών στρώσεων) Χαρακτηρισμός = προϋπόθεση για την περιγραφή του στο παρόν και τη διαχείρισή του στο μέλλον για διάφορα σενάρια διαχείρισης. Απαιτούνται 2 φάσεις: 1.Αρχικός χαρακτηρισμός όλων των σωμάτων υπογείων υδάτων και 2.Περαιτέρω χαρακτηρισμός των σωμάτων υπόγειων νερών, τα οποία έχει θεωρηθεί ότι απειλούνται. Μετά: Περιγραφή παρούσας κατάστασης (υδρολογική, υδροδυναμική και οικολογική-ποιοτική άποψη) - Επισκόπηση των επιπτώσεων των ανθρώπινων δραστηριοτήτων, των μεταβολών της στάθμης και της ρύπανσης των υπόγειων νερών.

10 2.4ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΜΕ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ 1.Υδρολογικό μοντέλο. Μεταβολές της Q σε κάθε τμήμα ποταμού. Χρονικές μεταβολές του V λίμνης. Eκτίμηση συνιστωσών του υδατικού ισοζυγίου υπογείων νερών. 2.Υδροδυναμικό μοντέλο. Κατανομές H και U κατά μήκος ενός ποταμού με δεδομένη την κατανομή Q Υδροδυναμική συμπεριφορά με στοιχεία εισόδου (α) τα αποτελέσματα του υδρολογικού μοντέλου και (β) στοιχεία περιβάλλοντος. Aντίστοιχη αντιμετώπιση για παράκτια νερά.

11 3.Μοντέλο ποιότητας νερών. Χωρική και χρονική κατανομή των C ποιοτικών χαρακτηριστικών σε ένα ποταμό, μια λίμνη ή σε ένα σώμα υπόγειων νερών με στοιχεία εισόδου (α) αποτελέσματα του υδροδυναμικού μοντέλου, (β) τα ρυπαντικά φορτία, (γ) άλλα στοιχεία περιβάλλοντος. 4.Μοντέλο υπολογισμού καμπύλης FTC. Mε μοντέλο ποιότητας νερών (χωρίς χημικές και βιολογικές διεργασίες), το οποίο περιγράφει τη μεταφορά και διάχυση του δείκτη στη λίμνη με δεδομένα τα αποτελέσματα του υδροδυναμικού μοντέλου.

12 3.ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ ΜΟΝΤΕΛΩΝ 3.1ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΕΞΕΤΑΣΗΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΣΕΝΑΡΙΩΝ ΜΕ ΜΜ 1. Πραγματοποιείται χαρακτηρισμός και αναγνώριση της θέσης (οριοθέτηση) του υδάτινου σώματος. 2.Γίνεται επιλογή των μαθηματικών μοντέλων που θα εφαρμοστούν: (1) υδρολογικό, (2) υδροδυναμικό και (3) ποιότητας νερών. 3.Πραγματοποιείται βαθμονόμηση και επιβεβαίωση όλων των χρησιμοποιούμενων μοντέλων.-Μοντελοποίηση υπάρχουσας κατάστασης. 4.Για κάθε σενάριο διαχείρισης πραγματοποιούνται τα ακόλουθα: Εφαρμόζεται κατά σειρά υδρολογικό μοντέλο, υδροδυναμικό μοντέλο, μοντέλο υδάτινης ποιότητας και συγκρίνονται οι κατανομές των ποιοτικών χαρακτηριστικών του μοντέλου με οριακές τιμές. 5.Επιλέγεται και υλοποιείται το κατάλληλο σενάριο διαχείρισης.

ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ 1.Απαίτηση ολοκληρωμένης αντιμετώπισης. 2.Επιλογή των μοντέλων. (α) σκοπός της μοντελοποίησης (β) κλίμακα εφαρμογής (π.χ. επίπεδο υδατικού διαμερίσματος) (γ) επιθυμητή ακρίβεια ή το επίπεδο εμπιστοσύνης της λύσης (δ) τεχνικά χαρακτηριστικά του υδάτινου σώματος 3.Διάσταση υδροδυναμικού μοντέλου και μοντέλου ποιότητας. Ποταμός: 1-D για τον υπολογισμό των Υ και U κατά μήκος του ποταμού. Λίμνη: 3-D, που λαμβάνει υπόψη τα χαρακτηριστικά (ανάμιξης) των διάφορων στρωμάτων της λίμνης. Παράκτια περιοχή: 2-D ή 2-D ολοκληρωμένο κατά βάθος ή διατυπωμένο σε στρώσεις για τον υπολογισμό του πεδίου ροής και των ανυψώσεων της ελεύθερης επιφάνειας. Μοντέλα ποιότητας: ίδια διάσταση με υδροδυναμικών μοντέλων.

ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ (συνέχεια) 4.Εφαρμογή με περιορισμένα στοιχεία πεδίου. Στοιχειώδης βαθμονόμηση + ανάλυση ευαισθησίας Περίπτωση Λίμνης Πλαστήρα (ΕΜΠ, 2002) 5.Έμφαση μοντέλου ποιότητας. έμφαση στο κύριο ποιοτικό-βιολογικό φαινόμενο, όπως π.χ. Ευτροφισμός σε μια λίμνη. Εξέταση επίδρασης υδραυλικών στοιχείων (π.χ. μείωση ή ακόμα και διακύμανση ελεύθερης στάθμης ποταμού) στα βιολογικά στοιχεία, όπως π.χ. στη μείωση πληθυσμού των προστατευόμενων ειδών της χλωρίδας και πανίδας της περιοχή μελέτης. Στην περίπτωση αυτή οι τιμές μείωσης πληθυσμού συγκρίνονται με οριακές τιμές, π.χ. 5% και εφόσον δεν τις υπερβαίνουν το σενάριο διαχείρισης θεωρείται ως αποδεκτό. 6.Οριακές τιμές ποιοτικών παραμέτρων. Μπορεί να συμπίπτουν με τις συνθήκες αναφοράς

ΛΟΙΠΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑΣ 1.Αντιμετώπιση κρίσεων (ξηρασία, λειψυδρία, ατύχημα ρύπανσης). 2.Υπολογισμός τιμών ποιοτικών στοιχείων επιφαν. υδάτινο σώμα και σύγκριση τιμών με οριακές τιμές για σενάρια διαχείρισης. 3.Καθορισμός συνθηκών αναφοράς των ποιοτικών στοιχείων για «αδιατάρακτες συνθήκες». Καθορισμός συνθηκών αναφοράς για τα υδραυλικά-μορφολογικά στοιχεία (π.χ. Η, V λίμνης) με δεδομένες τις συνθήκες αναφοράς των ποιοτικών στοιχείων. 4.Στα υπόγεια νερά. Διερεύνηση (α) τάσεων ρύπων, (β) υφαλμύρωσης και (γ) τεχνητού εμπλουτισμού (γ1) για αντιμετώπιση υφαλμύρωσης & διείσδυσης της θάλασσας, (γ2) για βελτίωση ποιότητας ρυπασμένων υπόγειων νερών, (γ3) για τη διάθεση επεξεργασμένων λυμάτων κ.α.

16 3.2ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗΣ ΕΚΤΑΚΤΩΝ ΣΥΜΒΑΝΤΩΝ ΡΥΠΑΝΣΗΣ ΜΕ ΜΟΝΤΕΛΑ ΣΥΝΑΓΕΡΜΟΥ Αναμένεται να έχουν σημαντική εφαρμογή στην Ελλάδα και ειδικότερα: (α) στους διακρατικούς ποταμούς και (β) στα τεχνητά ή ισχυρά τροποποιημένα υδάτινα σώματα, όπως π.χ. ταμιευτήρες-τεχνητές λίμνες, που χρησιμοποιούνται κυρίως για ύδρευση. Με ένα «Μοντέλο Συναγερμού» υπολογίζεται η πορεία (δηλ. η μεταφορά, η διάχυση-ανάμιξη και οι φυσικές, χημικές και βιολογικές διεργασίες) ενός ρύπου, που προκλήθηκε π.χ. από ένα ατύχημα διοχέτευσης ρύπου (ρύπανσης) σε κάποια θέση, κατά μήκος ενός διασυνοριακού ποταμού ή στον όγκο ενός ταμιευτήρα και στη συνέχεια στο δίκτυο ύδρευσης.

17 Στάδια-Στόχοι «Μοντέλου Συναγερμού» 1.Αναγνώριση-διαπίστωση του ατυχήματος ρύπανσης. 2.Ειδοποίηση των Αρχών Διαχείρισης για το συμβάν. 3.Ενεργοποίηση των υπολογισμών του «Μοντέλου Συναγερμού». 4.Πραγματοποίηση των άμεσων μέτρων ελέγχου-αντιμετώπισης της κατάστασης. 5.Προσδιορισμός και ενεργοποίηση των μέτρων για (α) αποκατάσταση των άμεσων βλαβών και (β) ελαχιστοποίηση των δευτερευουσών βλαβών. 6.Αναγνώριση της πηγής και του λόγου του ατυχήματος.

18 3.3ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΣΤΗ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΩΝ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ Τα προγράμματα παρακολούθησης κατάστασης νερών καλύπτουν: (α) για τα επιφανειακά νερά όγκο,στάθμη ή παροχή και οικολογική, χημική κατάσταση και οικολογικό δυναμικό. (β) για τα υπόγεια ύδατα χημική (τάσης ρύπων) και ποσοτική (στάθμη) κατάσταση Για κάθε περίοδο εφαρμογής ενός Σχεδίου Διαχείρισης εφαρμόζονται τα ακόλουθα Προγράμματα Πρακολούθησης: (α).Προγράμματα εποπτικής παρακολούθησης (β).Προγράμματα επιχειρησιακής παρακολούθησης (γ).Προγράμματα διερευνητικής παρακολούθησης

19 ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ Βελτιστοποίηση= Μεγιστοποίηση της πληροφορίας που παρέχει το δίκτυο με το ελάχιστο κόστος. Διατύπωση συνάρτησης του κόστους ενός δικτύου παρακολούθησης + χρησιμοποιώντας μοντέλα βελτιστοποίησης. Εναλλακτικά, μπορεί να εφαρμοστούν ΜΜ και να προσδιοριστούν (α) τα απαραίτητα στοιχεία μέτρησης, (β) οι απαραίτητες θέσεις παρακολούθησης και (γ) η συχνότητα λήψης μετρήσεων. Σημ. Τα ΜΜ συμπληρώνουν τα κενά

20 4.ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΗ (1).Εφαρμογή μεθοδολογιών για την εξέταση σεναρίων διαχείρισης. Ενδεικτικά αναφέρονται: (α).Αντιμετώπιση κρίσεων σε ακραίες περιπτώσεις, όπως ξηρασίας, λειψυδρίας, ατυχήματος ρύπανσης (β).Υπολογισμός τιμών ποιοτικών και ποσοτικών στοιχείων για ένα υδάτινο σώμα και σύγκρισή τους με οριακές τιμές για διάφορα σενάρια διαχείρισης. (γ).Καθορισμός συνθηκών αναφοράς, π.χ. των ποιοτικών στοιχείων για «αδιατάρακτες συνθήκες», όπως π.χ. με μηδενικές πιέσεις ή των υδραυλικών-μορφολογικών στοιχείων με δεδομένες τις συνθήκεςαναφοράς των ποιοτικών στοιχείων. (δ).Εφαρμογές στα υπόγεια νερά με διερεύνηση θεμάτων, όπως (α) των τάσεων των ρύπων, (β) της υφαλμύρωσης και (γ) του τεχνητού εμπλουτισμού για την αντιμετώπιση της υφαλμύρωσης και της διείσδυσης της θάλασσας, για τη βελτίωση της ποιότητας ρυπασμένων υπόγειων νερών και για τη διάθεση επεξεργασμένων λυμάτων.

21 (2). Σχεδιασμός μεθοδολογιών και συστημάτων για την αντιμετώπιση έκτακτων συμβάντων ρύπανσης. (α) στους διακρατικούς ποταμούς και (β) στα τεχνητά ή ισχυρά τροποποιημένα υδάτινα σώματα. (3).Ελεγχος- βελτιστοποίηση σχεδιασμού κρατικού δικτύου παρακολούθησης με τεχνικές μαθηματικών μοντέλων. Η βελτιστοποίηση μπορεί να εφαρμοστεί σε επίπεδο υδάτινου σώματος ή υδατικού διαμερίσματος. Συνιστώνται (α) πιλοτική διερεύνηση σε συγκεκριμένη περίπτωση που θα επιλεγεί για την τελική διαμόρφωση της μεθοδολογίας, (β) η επιδίωξη ταύτοχρονης βελτιστοποίησης του δικτύου των επιφανειακών και υπόγειων νερών και (γ) η συσχέτιση των αναγκών χρησιμοποίησης στοιχείων πεδίου για άλλες εφαρμογές μοντελοποίησης με τη διαδικασία της παρακολούθησης. Σημ. Ιδιαίτερη σημασία έχει η χρησιμοποίηση συστημάτων GIS.