Διερεύνηση της νιτρορύπανσης λεκάνης απορροής από αγροτικές δραστηριότητες

Abstract

The subject of the present thesis is the assessment of nitrate pollution from agricultural activities in a basin. This assessment refers to the estimation of nitrogen concentration and nitrogen load at the outlet and other points inside the basin caused by the use of fertilizers. It is a diffuse pollution study that uses numerical models and GIS tools amongst others in order to process existing data and model the area under study. The study area is presented in the first chapter, with a brief overview of its administrative, economic, demographic and hydrologic characteristics. The most important relevant studies and papers are outlined in the second chapter, in which additional references and case studies regarding the tools used in this thesis are also discussed. The third chapter contains an analytical description of the methods which have been used to prepare the model of the study area. Chapter 4 refers to the method of calibration and validation of the primary model (AGNPS) used in this thesis. The fifth chapter contains an analysis of the results of all the scenarios which were assessed during the simulation process. In the next chapter, the results of all scenarios are compared and processed in order to identify the major factors which influence the diffuse pollution processes in the basin. The last chapter contains an overview of the conclusions and suggestions for future research. The study area is the plain of Drama in Eastern Macedonia, Greece. The plain is located in the southern part of the Prefecture of Drama and is characterized by significant agricultural activity. The Prefecture of Drama has a population of 102,000 and is divided into eight major municipalities and one community. This situation will change under the Kallikratis plan, which comes into force on 1/1/2011. Most of the population lives in the southern part of the region, where the majority of economic activities are also concentrated. Agricultural activities are primarily located in the southern part, on the plain of Drama and constitute a significant source of income for the population. The majority of the population is engaged in activities related to services and commerce, which are also largely to be found at the southern part of the region. Unemployment is one of the most acute problems in the Prefecture of Drama, especially in recent years. The hydrological network of the plain of Drama has been created mainly by the springs which discharge at its perimeter. Many of these springs are the discharge points of the large karstic system, which is located in the northern part of the region. The plain’s primary river is the Aggitis river into which all the runoff of the plain discharges. This thesis assesses the stress on the river caused by the nutrients contained in the fertilizers used within the basin. Diffuse pollution is a very serious problem on a worldwide basis. This is the reason why much research regarding this issue has been conducted, and many methods have been proposed in order to deal with this problem. This research facilitated the calculation of acceptable limits of nitrogen concentration with regard to human health and eutrophication in water bodies. Many numerical diffuse pollution models, such as SWAT, MONERIS and AGNPS have been developed and are widely used. Many researchers have also published their own methods for specific areas of study. The model selected for this thesis is AGNPS, a physically-based model which offers the option to create a very thorough and analytical simulation of the study area. AGNPS has been used in a variety of studies worldwide and has produced very reliable results. Research in this area of study has been significantly facilitated by GIS tools, because of the spatial analysis capabilities they provide, since diffuse pollution studies require the consideration of a large number of spatially distributed parameters. A significant part of this study focuses on the calibration and validation of the AGNPS model, which is the primary simulation tool. Its calibration requires a very large set of parameters, such as geological data, data from meteorological stations, landuse, crop data, irrigation data, fertilizer data etc. The GIS interface of AGNPS allows the preparation of all the spatially distributed data. The other parameters are modeled using the AGNPS input file Editor. The meteorological datasets require separate processing since their future values have to be estimated. This estimation was performed statistically by the use of GlimClim (a statistical rainfall estimation tool) and ClimGen, which allowed the estimation of future values for all the other meteorological parameters. After data preparation, the next step was the calibration and validation of the AGNPS model. This process produced reliable results, since the deviations of the results were within the limits calculated in previous studies worldwide. The estimation of runoff and nutrient concentration simulated by AGNPS were in accordance to values measured at the basin’s outlet for the same period. The scenarios examined refer to various cases of fertilizer use, changes in landuse, rainfall and changes in spring discharge. The results of the scenarios indicated the cases which exert more stress on the river, when nitrogen concentration at the basin’s outlet is above permitted limits and causes hazardous conditions for the ecosystem and the population. The comparison of the results has shown that the greatest stress is caused by the increased use of fertilizers. It was also observed that when river discharge is reduced due to natural causes hazardous conditions for the ecosystem may be created. The conclusions of this thesis refer to the parameters which primarily affect nitrogen concentration in the river. All the models in this study have produced reliable results, aiding the better understanding of diffuse pollution in the basin. Further research should be conducted by collecting more detailed datasets, which will allow the full exploitation of the capabilities of the AGNPS model and the examination of even more complicated scenarios.

Το αντικείµενο µελέτης της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η διερεύνηση της νιτρορύπανσης από αγροτικές δραστηριότητες σε µία λεκάνη απορροής. Η διερεύνηση αφορά την εκτίµηση του φορτίου και της συγκέντρωσης του αζώτου σε διάφορα σηµεία της περιοχής µελέτης εξαιτίας των λιπασµάτων που περιέχουν αζωτούχες ενώσεις και χρησιµοποιούνται στη γεωργία. Πρόκειται για µία µελέτη της ρύπανσης από µη σηµειακές πηγές όπου χρησιµοποιήθηκαν αριθµητικά µοντέλα, εργαλεία GIS και διάφορα άλλα εργαλεία ώστε να καταστεί δυνατή η επεξεργασία των υπαρχόντων δεδοµένων και η µοντελοποίηση της περιοχής µελέτης. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η περιοχή µελέτης, όπου γίνεται µια σύντοµη αναφορά στα διοικητικά, οικονοµικά, πληθυσµιακά και υδρολογικά χαρακτηριστικά της. Στη συνέχεια γίνεται µία συνοπτική παρουσίαση της βιβλιογραφίας που αφορά το αντικείµενο µελέτης αλλά και τα επιµέρους εργαλεία που χρησιµοποιήθηκαν ειδικότερα. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται αναλυτικά η µεθοδολογία που ακολουθήθηκε και η χρήση διάφορων επιµέρους µοντέλων προσοµοίωσης που αποσκοπούσαν στην εκτίµηση διάφορων παραµέτρων που ήταν απαραίτητες για τις προσοµοιώσεις της εργασίας. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναφέρεται ο τρόπος µε τον οποίο ρυθµίστηκε το κύριο µοντέλο που χρησιµοποιήθηκε (AGNPS) και οι παραδοχές που έγιναν κατά τη ρύθµισή του. Το πέµπτο κεφάλαιο περιέχει αναλυτικά τα αποτελέσµατα όλων των σεναρίων που εξετάστηκαν κατά την προσοµοίωση της νιτρορύπανσης στη λεκάνη απορροής. Στο έκτο κεφάλαιο γίνεται η σύγκριση των αποτελεσµάτων µεταξύ τους για να διαπιστωθούν οι παράγοντες που επηρεάζουν την συγκέντρωση του αζώτου στη λεκάνη. Στο τελευταίο κεφάλαιο της εργασίας γίνεται µια ανακεφαλαίωση των κυριότερων συµπερασµάτων που προέκυψαν και διατυπώνονται προτάσεις για την περαιτέρω διερεύνηση του προβλήµατος. Η περιοχή µελέτης είναι η πεδιάδα της ∆ράµας στην Ανατολική Μακεδονία. Η πεδιάδα βρίσκεται στο νότιο τµήµα του Νοµού και χαρακτηρίζεται από σηµαντική αγροτική δραστηριότητα. Ο Νοµός ∆ράµας έχει συνολικό πληθυσµό περίπου 102.000 κατοίκων και διαιρείται σε οκτώ (8) δήµους και µία (1) κοινότητα (προ του σχεδίου «Καλλικράτης»). Το µεγαλύτερο τµήµα του πληθυσµού βρίσκεται συγκεντρωµένο στο νότιο τµήµα, όπου συγκεντρώνεται και η πλειονότητα των οικονοµικών δραστηριοτήτων του Νοµού. Οι δραστηριότητες του πρωτογενούς τοµέα κατανέµονται ανάλογα µε το ανάγλυφο, µε τις κτηνοτροφικές να εντοπίζονται κυρίως στο βόρειο τµήµα και τις γεωργικές δραστηριότητες στο νότιο. Ο τριτογενής τοµέας απασχολεί το µεγαλύτερο ποσοστό του πληθυσµού αλλά και οι γεωργικές δραστηριότητες απασχολούν µεγάλο ποσοστό των κατοίκων των δήµων του νότιου τµήµατος. Η ανεργία αποτελεί ένα από τα σηµαντικότερα προβλήµατα του Νοµού Ιδιαίτερη αύξηση παρατηρείται επίσης και στα ποσοστά των ατόµων τα οποία έχασαν πρόσφατα τη δουλειά τους («νέοι» άνεργοι). Το υδρογραφικό δίκτυο της πεδιάδας δηµιουργήθηκε κατά κύριο λόγο από τις πηγές που αναβλύζουν στην περίµετρό της. Πολλές από τις πηγές αυτές αποτελούν τις εκφορτίσεις του καρστικού συστήµατος που εντοπίζεται κυρίως στο βόρειο τµήµα του Νοµού. Ο κύριος ποταµός που διατρέχει την πεδιάδα είναι ο Αγγίτης, ο οποίος αποτελεί και τον τελικό αποδέκτη της πεδιάδας. Η παρούσα εργασία διερευνά την επιβάρυνση του ποταµού εξαιτίας των αζωτούχων ενώσεων που καταλήγουν σε αυτόν εξαιτίας των λιπασµάτων που χρησιµοποιούνται στη λεκάνη απορροής του. Το πρόβληµα της ρύπανσης από µη σηµειακές πηγές αποτελεί παγκοσµίως ένα πολύ σηµαντικό πρόβληµα. Για τον λόγο αυτό, έχουν πραγµατοποιηθεί πολλές έρευνες και έχουν προταθεί διάφοροι τρόποι διερεύνησης και αντιµετώπισης του προβλήµατος. Η έρευνα αυτή έχει οδηγήσει στη θέσπιση ορίων που αφορούν την ανθρώπινη υγεία αλλά και το ενδεχόµενο ευτροφισµού των υδάτινων σωµάτων. Έχουν δηµιουργηθεί διάφορα µαθηµατικά µοντέλα, όπως το SWAT, το MONERIS και το AGNPS, τα οποία χρησιµοποιούνται ευρέως, αλλά και πολλοί ερευνητές έχουν παρουσιάσει τις δικές τους µεθοδολογίες όσον αφορά το πρόβληµα σε συγκεκριµένες περιοχές. Το µοντέλο που επιλέχθηκε για την παρούσα εργασία είναι το AGNPS, το οποίο είναι ένα µοντέλο προσοµοίωσης φυσικών διεργασιών το οποίο προσφέρει τη δυνατότητα στον χρήστη για µια πολύ αναλυτική περιγραφή και µοντελοποίηση της εκάστοτε περιοχής µελέτης. Το συγκεκριµένο µοντέλο έχει χρησιµοποιηθεί σε ένα µεγάλο εύρος περιπτώσεων ανά τον κόσµο µε ιδιαιτέρως αξιόπιστα αποτελέσµατα. Η χρήση των εργαλείων GIS έχει βοηθήσει σηµαντικά την έρευνα στον συγκεκριµένο τοµέα εξαιτίας της δυνατότητας που προσφέρει για την χωρική συσχέτιση διάφορων παραµέτρων αφού στο πρόβληµα της ρύπανσης από µη σηµειακές πηγές υπεισέρχεται µεγάλο πλήθος παραµέτρων που επηρεάζουν το πρόβληµα. Ένα σηµαντικό τµήµα της εργασίας εστιάζει στη ρύθµιση και την επαλήθευση του AGNPS, το οποίο αποτελεί και το κύριο εργαλείο προσοµοίωσης. Η ρύθµισή του απαιτεί πλήθος δεδοµένων, όπως το γεωλογικό υπόβαθρο, οι µετεωρολογικοί σταθµοί και τα δεδοµένα τους, οι χρήσεις γης, τα προγράµµατα καλλιέργειας, οι µέθοδοι άρδευσης, η χρήση των λιπασµάτων κλπ. Μέσω του περιβάλλοντος GIS που συνοδεύει το µοντέλο κατέστη δυνατή η προετοιµασία των δεδοµένων που αφορούσαν ολόκληρη τη λεκάνη και µέσω του Editor του προγράµµατος ολοκληρώθηκε η προετοιµασία των δεδοµένων µε την εισαγωγή των υπόλοιπων παραµέτρων. Τα µετεωρολογικά δεδοµένα ρυθµίστηκαν ξεχωριστά καθώς πρώτα ήταν απαραίτητη η εκτίµηση των µελλοντικών τιµών τους. Η εκτίµηση έγινε µε στατιστικό τρόπο, χρησιµοποιώντας τα επιµέρους µοντέλα GlimClim (για τη βροχόπτωση) και ClimGen (για τις υπόλοιπες κλιµατικές παραµέτρους). Έπειτα από την προετοιµασία των δεδοµένων ακολούθησε η διαδικασία της ρύθµισης και επαλήθευσης του µοντέλου. Η διαδικασία αυτή έδωσε πολύ θετικά αποτελέσµατα, καθώς κινήθηκε στα όρια που έχουν κινηθεί και οι µελέτες µε το συγκεκριµένο µοντέλο παγκοσµίως. Τα σενάρια που εξετάστηκαν αφορούσαν διάφορες περιπτώσεις χρήσεων των λιπασµάτων στην περιοχή, αλλαγή στον τρόπο καλλιεργειών και αλλαγή στο κλίµα, θεωρώντας πιθανές µεταβολές στην βροχόπτωση και στην παροχή των πηγών. Από τα αποτελέσµατα των σεναρίων φάνηκε ποιες περιπτώσεις είναι πιο επιζήµιες για τον αποδέκτη όπου η συγκέντρωση στην έξοδο της λεκάνης ξεπερνούσε τα επιτρεπτά όρια και δηµιουργούνταν επικίνδυνες συνθήκες για το οικοσύστηµα αλλά και για τον πληθυσµό. Από τη σύγκριση των αποτελεσµάτων προέκυψε ότι η µεγαλύτερη επιβάρυνση προκύπτει όταν αυξάνεται υπέρµετρα η χρήση λιπασµάτων στην περιοχή, σχεδόν ανεξάρτητα από τις υπόλοιπες παραµέτρους. Παρατηρήθηκε επίσης ότι σε κάποιες περιπτώσεις όπου η απορροή του ποταµού ενδέχεται να µειωθεί από φυσικά αίτια δηµιουργούνται επίσης επικίνδυνες συνθήκες για το οικοσύστηµα. Τα συµπεράσµατα της µελέτης αναφέρονται στις παραµέτρους που ενδέχεται να επηρεάσουν περισσότερο τη συγκέντρωση αζώτου στον υδάτινο αποδέκτη. Όλα τα µοντέλα που χρησιµοποιήθηκαν έδωσαν ιδιαίτερα αξιόπιστα αποτελέσµατα, βοηθώντας στην κατανόηση του φαινοµένου στη λεκάνη απορροής. Η έρευνα θα µπορούσε να συνεχιστεί µε τη συλλογή ακόµη περισσότερων δεδοµένων ώστε να αξιοποιηθούν πλήρως οι δυνατότητες του AGNPS και να καταστεί δυνατή η προσοµοίωση ακόµη πιο περίπλοκων σεναρίων.