Μεταβολή της γεωμορφολογίας της κοίτης υδατορευμάτων συνεχούς, εποχικής και εφήμερης ροής

Abstract

Rivers are natural flowing bodies of water that move under the influence of gravity from higher to lower areas of the Earth's surface, continuously evolving and shaping the surrounding landscape. They are categorized based on criteria such as water origin, flow duration, and flow patterns. In Greece, a variety of stream types are observed, characterized by the diversity of their water sources. Depending on the duration of their flow, streams are classified into perennial and temporary streams. Temporary streams, internationally known as Intermittent Rivers and Ephemeral Streams (I.R.E.S.), are further divided into intermittent and ephemeral streams, with their function determined by seasonal or meteorological factors. The geomorphology of all stream beds is shaped by natural processes such as erosion, sediment deposition, and water flow, processes that constantly reshape the landscape, influencing both hydrological functions and ecosystems. Sediment transport, which refers to the movement of solid materials through water flow, is a critical process influenced by factors such as stream type, flow velocity and volume, slope, and climatic conditions. Streams with steep gradients and high flow rates exhibit increased sediment transport, while phenomena like heavy rainfall or droughts affect the availability and dynamics of the flow. Sediment transport is categorized into bed load, comprising particles moving close to the riverbed, and suspended load, consisting of finer particles carried within the water column. The total load determines the bed morphology, water quality, and ecological balance of the system. However, measuring sediment transport remains challenging due to the complexity and cost of traditional methods, highlighting the need for research to understand and sustainably manage water resources. This study focuses on the mechanisms influencing bed changes in perennial, intermittent, and ephemeral streams, utilizing Yang’s formulas and developing linear and non-linear regression relationships. Critical hydrological, hydraulic, and geomorphological parameters, such as discharge and rainfall intensity, as well as particle diameter are examined, aiming to improve the accuracy of sediment transport estimation and enhance the understanding of geomorphological changes in various water systems. The study area covers the district unit of Xanthi, where four streams were analyzed. The Nestos River serves as an example of perennial flow, while Kosynthos River and the Kimmeria Torrent are representative of seasonal flow streams. For the experimental study of ephemeral flow, a stream near the village of Rimi was selected due to its proximity and unique conditions. Data collection included flow measurements and sediment transport estimation using various sampling methods. In Nestos River, Kosynthos River, and Kimmeria Torrent, suspended sediments were measured using filtration, while bed load was sampled using the Helley-Smith sampler. For the ephemeral stream, a modified sediment trap was constructed to capture data during intense flows. For data processing, the collected samples were subjected to drying and sieving in the laboratory, and the results were incorporated into sediment transport models based on Yang's formulas (1973, 1979), which were modified using non-linear regression equations. These modifications aimed to improve the models' adaptation to the local conditions of each stream. Additionally, regression analysis served as a key tool for developing hydrological relationships that link sediment transport to parameters such as discharge, rainfall, and grain size. The linear and non-linear regression relationships developed in this study allow for more accurate sediment transport estimation in natural watercourses. The accuracy of the models was evaluated using statistical criteria, including the Mean Relative Error (MRE), the Nash- Sutcliffe Efficiency (NSE), and the coefficient of determination (R²).Overall, the modified Yang formulas represent the most reliable approach for estimating sediment yield in Nestos River, Kosynthos River, and Kimmeria Torrent. However, the application of hydrological models that integrate parameters such as discharge, rainfall, and particle diameter can provide practical tools for on-site assessments. This research highlights the importance of adapting models to the specific conditions of each stream, as sediment transport depends on factors such as flow velocity, grain size, discharge, and the unique characteristics of the riverbed. Observations regarding ephemeral streams are particularly significant, as their intense and unpredictable behavior makes sediment yield estimations challenging, requiring further research and model optimization.

Τα υδατορεύματα είναι φυσικά ρέοντα σώματα νερού που μετακινούνται υπό την επίδραση της βαρύτητας από υψηλότερες σε χαμηλότερες περιοχές της Γης και συνεχώς εξελίσσονται, διαμορφώνοντας και επηρεάζοντας το τοπίο, στο οποίο βρίσκονται. Η κατηγοριοποίησή τους βασίζεται σε κριτήρια όπως η προέλευση του νερού, η διάρκεια της ροής και το μοτίβο της ροής. Στην Ελλάδα παρατηρείται ποικιλομορφία τύπων υδατορευμάτων, με χαρακτηριστική την πολυπλοκότητα των πηγών τροφοδότησής τους. Ανάλογα με τη διάρκεια της ροής τους, τα υδατορεύματα διακρίνονται σε συνεχούς και προσωρινής ροής. Οι προσωρινοί ποταμοί, διεθνώς γνωστοί ως “Intermittent Rivers and Ephemeral Streams” (I.R.E.S.), υποδιαιρούνται σε υδατορεύματα διαλειπούσης και εφήμερης ροής, με τη λειτουργία τους να καθορίζεται από εποχικούς ή μετεωρολογικούς παράγοντες. Η γεωμορφολογία της κοίτης όλων των υδατορευμάτων διαμορφώνεται από φυσικές διεργασίες, όπως η διάβρωση, η απόθεση φερτών υλών και η ροή του νερού, διαδικασίες που προκαλούν συνεχή αναδιαμόρφωση του τοπίου, επηρεάζοντας την υδρολογική λειτουργία και τα οικοσυστήματα. Η στερεομεταφορά, η μεταφορά δηλαδή στερεών υλικών μέσω της ροής του νερού, αποτελεί μια κρίσιμη διαδικασία που επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες, όπως το είδος του υδατορεύματος, η ταχύτητα και ο όγκος της ροής, η κλίση του εδάφους και οι κλιματικές συνθήκες. Τα υδατορεύματα με απότομη κλίση και υψηλή ροή παρουσιάζουν αυξημένη μεταφορά φερτών υλών, ενώ φαινόμενα όπως οι έντονες βροχοπτώσεις ή η ξηρασία επηρεάζουν τη διαθεσιμότητα και τη δυναμική της ροής. Η στερεομεταφορά διακρίνεται σε φορτίο κοίτης, που περιλαμβάνει σωματίδια κοντά στον πυθμένα, και αιωρούμενο φορτίο, που περιλαμβάνει λεπτότερα σωματίδια στη στήλη του νερού. Το συνολικό φορτίο καθορίζει τη μορφολογία της κοίτης, την ποιότητα του νερού και την οικολογική ισορροπία του συστήματος. Ωστόσο, η μέτρηση της στερεομεταφοράς παραμένει πρόκληση λόγω της πολυπλοκότητας και του κόστους των παραδοσιακών μεθόδων, καθιστώντας την έρευνα απαραίτητη για την κατανόηση και βιώσιμη διαχείριση των υδάτινων πόρων. Η παρούσα έρευνα επικεντρώνεται στους μηχανισμούς που επηρεάζουν τη μεταβολή της κοίτης σε υδατορεύματα συνεχούς, εποχικής και εφήμερης ροής, αξιοποιώντας τους τύπους Yang και την ανάπτυξη γραμμικών και μη γραμμικών σχέσεων παλινδρόμησης. Εξετάζονται κρίσιμες υδρολογικές, υδραυλικές και γεωμορφολογικές παράμετροι, όπως η παροχή και η ένταση βροχόπτωσης, καθώς και η διάμετρος των σωματιδίων, με στόχο τη βελτίωση της ακρίβειας στην εκτίμηση της στερεομεταφοράς και την κατανόηση γεωμορφολογικών αλλαγών σε διαφορετικά υδάτινα συστήματα. Η περιοχή μελέτης περιλαμβάνει την Περιφερειακή Ενότητα Ξάνθης όπου εξετάστηκαν τέσσερα υδατορεύματα. Ο ποταμός Νέστος αποτελεί παράδειγμα συνεχούς ροής, ενώ ο ποταμός Κόσυνθος και ο χείμαρρος των Κιμμερίων είναι χαρακτηριστικά παραδείγματα εποχικής ροής. Για την πειραματική μελέτη εφήμερης ροής επιλέχθηκε ένα υδατόρευμα πλησίον του χωριού Ρύμη λόγω της εγγύτητας και των ιδιαιτεροτήτων της περιοχής. Η συλλογή δεδομένων περιλάμβανε μετρήσεις παροχής και εκτίμηση στερεομεταφοράς μέσω διαφορετικών μεθόδων δειγματοληψίας. Στον ποταμό Νέστο, στον ποταμό Κόσυνθο και στον χείμαρρο Κιμμερίων μετρήθηκαν αιωρούμενα ιζήματα μέσω φίλτρων διήθησης και φορτίο κοίτης με τη χρήση δειγματολήπτη Helley-Smith. Στο εφήμερο υδατόρευμα κατασκευάστηκε τροποποιημένη παγίδα φερτών υλικών για την καταγραφή δεδομένων σε περιόδους έντονης ροής. Για την επεξεργασία των δεδομένων, τα συλλεχθέντα δείγματα υποβλήθηκαν σε ξήρανση και κοσκίνισμα στο εργαστήριο, ενώ τα αποτελέσματα χρησιμοποιήθηκαν σε μοντέλα μεταφοράς φερτών υλών βασισμένα στους τύπους Yang (1973, 1979), που τροποποιήθηκαν μέσω μη γραμμικών εξισώσεων παλινδρόμησης. Η τροποποίηση των μοντέλων στόχευσε στη βελτίωση της προσαρμογής τους στις τοπικές συνθήκες κάθε υδατορεύματος. Επιπλέον, η χρήση της παλινδρόμησης αποτέλεσε βασικό εργαλείο για την ανάπτυξη υδρολογικών σχέσεων που συνδέουν τη μεταφορά φερτών υλών με παραμέτρους όπως η παροχή, η βροχόπτωση και η διάμετρος των κόκκων φερτών υλών. Οι γραμμικές και μη γραμμικές σχέσεις παλινδρόμησης που αναπτύχθηκαν στην παρούσα μελέτη, επιτρέπουν την ακριβέστερη εκτίμηση της στερεομεταφοράς σε φυσικά υδατορεύματα. Η αξιολόγηση της ακρίβειας έγινε μέσω στατιστικών κριτηρίων, όπως το μέσο σχετικό σφάλμα (MRE), ο συντελεστής αποδοτικότητας Nash- Sutcliffe (NSE) και ο συντελεστής προσδιορισμού (R²). Συνολικά, οι τροποποιημένοι τύποι του Yang αποτελούν την πιο αξιόπιστη προσέγγιση για την εκτίμηση της στερεοπαροχής στους ποταμούς Νέστο και Κόσυνθο και στον χείμαρρο Κιμμερίων. Ωστόσο, η εφαρμογή υδρολογικών τύπων που συνδυάζουν παραμέτρους όπως η παροχή, η βροχόπτωση και η διάμετρος των σωματιδίων, μπορεί να προσφέρει πρακτικά εργαλεία για επιτόπιες εκτιμήσεις. Η έρευνα αυτή υπογραμμίζει τη σημασία της προσαρμογής των μοντέλων στις ιδιαίτερες συνθήκες κάθε υδατορεύματος, καθώς η στερεομεταφορά εξαρτάται από παραμέτρους όπως η ταχύτητα ροής, το μέγεθος των κόκκων, η παροχή και οι ιδιαιτερότητες της κοίτης του ποταμού. Οι επισημάνσεις για τα εφήμερα υδατορεύματα είναι ιδιαίτερα σημαντικές, καθώς η έντονη και απρόβλεπτη συμπεριφορά τους καθιστά τις εκτιμήσεις της στερεοπαροχής δύσκολες, απαιτώντας περαιτέρω έρευνα και βελτιστοποίηση των μοντέλων.