Μελέτη του υδατικού οικοσυστήματος της Βιστωνίδας

Abstract

Vistonis Lagoon is located in Northern Greece in the Region of Thrace. It is protected by the Ramsar Treaty and is considered of first priority in the Network “Natura 2000” of the European Union, because of the great variety of rare birds that leave in this lagoon. In the 80s, the sources of nutrients to Vistonis Lagoon were domestic wastewater from the City of Xanthi, industrial wastes and agricultural runoff pollution. In a research conducted in 1985, the lagoon was rated as “eutrophic”. Today, the main type of pollution in the lagoon is non-point source pollution from its drainage area, since point sources of pollution have been eliminated. The change of cultivated species, which has occurred over the last 15 years within the agricultural part of the drainage area of Vistonis, has had also as a result the reductions in nitrogen and phosphorus loadings from fertilizers by 16.7% and 16%, respectively. Main objective of this doctoral dissertation was the study of the eutrophication status and water quality of Vistonis aquatic ecosystem. To achieve this objective, the following tasks were undertaken: A monitoring program was designed within the main torrents emptying into Vistonis (i.e., Kosyntos, Kompsatos and Travos), which provided flow and sediment and nutrient loading data. In addition, data were collected on the annual cycles of nutrients and phytoplankton within the lagoon. There were in total 57 discharge measurements and water quality samples collected in 9 stations within the torrents. Approximately 2000 chemical analyses were made for the determination of nutrient concentrations (e.g., total phosphorus, orthophosphorus, nitrates, and ammonia nitrogen). Within the lagoon there were 15 sampling deployments at 7 stations, 3 sampling depths, leading to a total of 375 samples collected. There were approximately 2250 chemical analyses for the determination of nutrient and chlorophyll_a concentrations. In addition, mathematical models for the drainage area and the lagoon were developed, calibrated, verified and used to study management alternatives, aiming at lagoon water quality improvement. From the study of the time and spatial variation of the nitrates and ortho-phosphates within the torrents, it was concluded that the highest concentrations and most variability occurred within the lower plain area of the watershed where the agricultural activities take place. Intense seasonal variation was observed in the physicochemical and biological parameters measured within the lagoon. There was salinity variation, with the highest values observed during the summer months. This is due to the tidal influence which is greater in the summer, when the torrent discharge is minimal or zero. The greater concentrations of total phosphorus and ortho-phosphates in the lagoon occurred in August. The data showed that this was due to phosphorus release from the bottom sediments. On the contrary, during the wintertime, phosphorus loading was mainly due to the torrents, with Kompsatos carrying nearly the 2/3 of the total loading. The seasonal variation of the total inorganic nitrogen in the lagoon, follows the seasonal pattern of nitrogen concentrations in the torrents. Again, the data showed that ammonia nitrogen is released from the bottom sediments mainly in the summer months. There was also a great variation in chlorophyll a concentration, with the highest chlorophyll_a concentrations in August. Using stepwise regression, there were mathematical expressions developed, relating chlorophyll_a concentrations with various physicochemical parameters. In addition, there were empirical models developed relating chlorophyll_a to total phosphorus and water transparency. Finally, well-accepted eutrophication indices were used to characterize the eutrophication status of the lagoon, which was characterized as hypereutrophy. The data collected in the torrents (discharge, and concentrations of sediments, nitrogen and phosphorus) were also used in the calibration and verification of a mathematical model developed for the drainage area using SWAT. The validation results were very satisfactory. In addition, data collected within Vistonis lagoon and available tidal elevations were used in the calibration and verification of a mathematical model developed for this lagoon based on WASP5 (sub-models DYNHYD5, TOXI5 and EUTRO5). The validation results for this model also were very satisfactory. The validated model SWAT was then used for testing alternatives regarding management of the drainage area, e.g., land use and crop changes within the agricultural area. Results showed that there is significant reduction in nitrogen and phosphorus loadings to the lagoon, when the main crop is cotton. The validated model WASP5 was used to test alternatives regarding the management of the lagoon. Results showed that the greatest reduction of chlorophyll_a concentration is obtained after stabilizing and/or treating the lagoon’s bottom sediments.

Η Βιστωνίδα είναι μία λιμνοθάλασσα, η οποία βρίσκεται στη Βόρεια Ελλάδα στην περιοχή της Θράκης. Προστατεύεται από τη συνθήκη Ramsar και θεωρείται πρώτης προτεραιότητας για το δίκτυο “Natura 2000”, λόγω της μεγάλης ποικιλίας σπάνιων πουλιών που ζουν ή διαχειμάζουν σ' αυτήν. Τη δεκαετία του '80, οι εξωτερικές πηγές φόρτισης της Βιστωνίδας με θρεπτικά άλατα αζώτου και φωσφόρου, ήταν τα αστικά λύματα της Ξάνθης, τα απόβλητα εργοστασίων και η ρύπανση από τις αγροτικές δραστηριότητες. Σε έρευνα, η οποία είχε γίνει το 1985, η Βιστωνίδα είχε χαρακτηριστεί ως ευτροφική. Σήμερα, ως κύριες πηγές ρύπανσης της Βιστωνίδας παραμένουν μόνο οι μη-σημειακές πηγές, αφού οι σημειακές πηγές έχουν σχεδόν πλήρως εξαλειφθεί. Η αναδιάρθρωση των καλλιεργειών, η οποία έγινε τα τελευταία δεκαπέντε χρόνια στη λεκάνη απορροής της Βιστωνίδας, είχε σαν αποτέλεσμα τη μείωση της ποσότητας του αζώτου και του φωσφόρου, που χρησιμοποιούνται με τη μορφή λιπασμάτων στις καλλιέργειες, κατά 16,7% και 16% αντίστοιχα. Βασικός στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η μελέτη του ευτροφισμού και της ποιότητας των νερών του υδατικού οικοσυστήματος της Βιστωνίδας. Για τη επίτευξη του στόχου έγιναν τα εξής: Σχεδιάστηκε ένα πρόγραμμα παρακολούθησης και δειγματοληψιών για τη μέτρηση της παροχής των χειμάρρων (Κόσυνθος, Κομψάτος και Τραύος), και για την εκτίμηση των φορτίων των φερτών και των θρεπτικών αλάτων φωσφόρου και αζώτου που μεταφέρονται στη Βιστωνίδα. Επίσης, μελετήθηκαν οι ετήσιοι κύκλοι μεταβολής των ανόργανων θρεπτικών αλάτων και του φυτοπλαγκτού στο υδατικό οικοσύστημα της Βιστωνίδας. Διενεργήθηκαν 57 μετρήσεις παροχής και δειγματοληψίες στους 9 σταθμούς των χειμάρρων και έγιναν περίπου 2000 χημικές αναλύσεις για τον προσδιορισμό των θρεπτικών στοιχείων (ολικός φώσφορος, ορθοφωσφορικά, νιτρικά, αμμωνιακό άζωτο). Παράλληλα, στη λιμνοθάλασσα διενεργήθηκαν 15 δειγματοληψίες, συλλέχθηκαν 375 δείγματα και έγιναν 2250 χημικές αναλύσεις για τον προσδιορισμό των θρεπτικών στοιχείων και της χλωροφύλλης_α. Επιπλέον, αναπτύχθηκαν, βαθμονομήθηκαν και επαληθεύθηκαν μαθηματικά μοντέλα για τη λεκάνη απορροής και για τη λιμνοθάλασσα. Τα μοντέλα αυτά χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη εναλλακτικών πρακτικών διαχείρισης, με σκοπό τη βελτίωση της ποιότητας του νερού της λιμνοθάλασσας. Από τη μελέτη της χρονικής και χωρικής μεταβολής των νιτρικών και ορθοφωσφορικών αλάτων στους χειμάρρους διαφάνηκε, ότι τα υψηλότερα επίπεδα και η εντονότερη μεταβλητότητα αυτών παρατηρούνται στην πεδινή περιοχή και αποδίδονται στις αγροτικές δραστηριότητες. Έντονη εποχιακή διακύμανση παρατηρήθηκε στις φυσικοχημικές και βιολογικές παραμέτρους που μετρήθηκαν στη Βιστωνίδα. Η διακύμανση της αλατότητας ήταν μεγάλη με τη μέγιστη τιμή να παρατηρείται τους θερινούς μήνες. Η αύξηση της αλατότητας αποδίδεται στην παλίρροια της οποίας η επίδραση είναι μεγαλύτερη όταν η παροχή των χειμάρρων μηδενίζεται. Η μέγιστη τιμή στη συγκέντρωση του ολικού φωσφόρου και των ορθοφωσφορικών παρατηρήθηκε τον Αύγουστο. Οι μετρήσεις έδειξαν ότι τα ιζήματα του πυθμένα είναι η κύρια πηγή φόρτισης της Βιστωνίδας με φώσφορο την θερινή περίοδο και έγινε εκτίμηση του φορτίου του φωσφόρου που προέρχεται από τον πυθμένα. Αντίθετα, τη χειμερινή περίοδο η φόρτιση οφείλεται κυρίως στους χειμάρρους με τον Κομψάτο να μεταφέρει τα 2/3 του συνολικού φορτίου. Η εποχιακή διακύμανση του ολικού ανόργανου αζώτου στη Βιστωνίδα, είναι παρόμοια με την εποχιακή φόρτισή της από τους χειμάρρους. Οι μετρήσεις έδειξαν, ότι φόρτιση από τα ιζήματα του πυθμένα με αμμωνιακό άζωτο γίνεται κυρίως στη διάρκεια της θερινής περιόδου. Έντονη διακύμανση παρουσίασε και η συγκέντρωση της χλωροφύλλης_α, της οποίας η μέγιστη τιμή παρατηρήθηκε τον Αύγουστο. Με τη βοήθεια της ανάλυσης βηματοειδούς παλινδρόμησης έγινε διερεύνηση της συσχέτισης της χλωροφύλλης_α με τις άλλες φυσικοχημικές παραμέτρους και διαμορφώθηκαν συγκεκριμένες μαθηματικές σχέσεις. Επίσης δημιουργήθηκαν απλά εμπειρικά μοντέλα μεταξύ χλωροφύλλης_α - ολικού φωσφόρου και χλωροφύλλης_α - διαφάνειας. Με τη χρήση δεικτών ευτροφισμού, οι οποίοι χρησιμοποιούνται διεθνώς, η Βιστωνίδα χαρακτηρίστηκε ως υπερτροφική. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων στους χειμάρρους (παροχή, συγκεντρώσεις αζώτου, φωσφόρου και φερτών) χρησιμοποιήθηκαν για την βαθμονόμηση και επαλήθευση του μαθηματικού μοντέλου SWAT, με πολύ ικανοποιητικά αποτελέσματα. Επίσης, οι μετρήσεις πεδίου των φυσικοχημικών παραμέτρων της Βιστωνίδας και το ύψος της στάθμης αυτής, χρησιμοποιήθηκαν για την εφαρμογή του συστήματος WASP5, το οποίο αποτελείται από τρία υπομοντέλα το DYNHYD5, το ΤΟΧΙ5 και το EUTRO5. Τα αποτελέσματα της βαθμονόμησης και της επαλήθευσης όλων των μοντέλων ήταν πολύ ικανοποιητικά. Χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο SWAT για την αξιολόγηση σεναρίων που αφορούν διαφορετικές χρήσεις γης και την επίπτωσή τους στο υδατικό οικοσύστημα της λιμνοθάλασσας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι επέρχεται μεγαλύτερη μείωση στα φορτία αζώτου και φωσφόρου που μεταφέρονται στη Βιστωνίδα, όταν στη λεκάνη καλλιεργείται μόνο το βαμβάκι. Το μοντέλο προσομοίωσης WASP5 χρησιμοποιήθηκε για την αξιολόγηση σεναρίων που αφορούν τη διαχείριση της Βιστωνίδας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι μεγαλύτερη μείωση στη συγκέντρωση της χλωροφύλλης_α επέρχεται με την υπόθεση ότι τα ιζήματα του πυθμένα δεν φορτίζουν τη Βιστωνίδα με θρεπτικά άλατα.