Development of a methodology for the estimation of sediment deposition rate in dam reservoirs: application to dams in Western Greece

Abstract

In this doctoral thesis, an integrated methodology was developed for the estimation of soil erosion, sediment delivery, and sediment deposition rate in dam reservoirs, with application to the Pinios Dam drainage basin and reservoir in Western Greece. The study links catchment-scale erosion processes with reservoir-scale sediment accumulation, focusing on a Mediterranean basin affected by intense rainfall, complex topography, geological variability, land-use changes, and recurrent wildfire events. Soil erosion was estimated using the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE) in a GIS environment. Particular emphasis was placed on the evaluation of Digital Elevation Model source and resolution for the LS-factor, the spatial interpolation of rainfall erosivity, and the estimation of the cover-management factor using both land-cover-based and remote-sensing-based approaches. The results showed that soil erosion in the Pinios Dam drainage basin is strongly controlled by topography, rainfall erosivity, vegetation cover, and wildfire disturbance. Remote-sensing indices were found to capture post-fire vegetation loss and spatial variability more effectively than static land-cover-based approaches. The reservoir sedimentation assessment was based on the reconstruction of the historical pre-impoundment reservoir morphology and its comparison with the current morphology derived from bathymetric and UAV surveys. The DEM of Difference analysis indicated approximately 18.67 × 10^6 m3 of deposited sediments over about 55 years of dam operation, while the comparison of storage capacity-elevation curves showed a similar capacity reduction, close to 20 × 10^6 m3. The deposited sediment mass was estimated at approximately 22.74 Mt, and the mean long-term sedimentation rate at about 1.7 cm/yr. After correction for trap efficiency, the delivered sediment mass was estimated at approximately 23.45 Mt. The calibrated Sediment Delivery Ratio was 31.96%, very close to the mean value of 32.23% derived from empirical SDR equations, confirming the reliability of the proposed basin-to-reservoir approach. The thesis also examined reservoir sediments and water-column conditions, highlighting the role of fine-grained bottom sediments and seasonal stratification in the release of iron and manganese. The proposed methodology combines GIS-based erosion modelling, remote sensing, hydrochemical monitoring, and bathymetric-UAV surveys, supporting reservoir management, sediment monitoring, and erosion-control planning in Mediterranean catchments.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύχθηκε μια ολοκληρωμένη μεθοδολογία για την εκτίμηση της εδαφικής διάβρωσης, της στερεοαπορροής και του ρυθμού εναπόθεσης φερτών υλικών σε ταμιευτήρες φραγμάτων, με εφαρμογή στη λεκάνη απορροής και στον ταμιευτήρα του φράγματος Πηνειού στη Δυτική Ελλάδα. Η μελέτη συνδέει τις διεργασίες διάβρωσης σε επίπεδο λεκάνης απορροής με τη συσσώρευση φερτών υλικών στον ταμιευτήρα, εστιάζοντας σε μια μεσογειακή λεκάνη που επηρεάζεται από έντονες βροχοπτώσεις, σύνθετο ανάγλυφο, γεωλογική ποικιλομορφία, μεταβολές στις χρήσεις γης και επαναλαμβανόμενα περιστατικά δασικών πυρκαγιών. Η εδαφική διάβρωση εκτιμήθηκε με την εφαρμογή της Αναθεωρημένης Παγκόσμιας Εξίσωσης Εδαφικής Απώλειας (RUSLE) σε περιβάλλον Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (GIS). Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στην αξιολόγηση της πηγής και της χωρικής ανάλυσης των Ψηφιακών Μοντέλων Εδάφους για τον υπολογισμό του τοπογραφικού συντελεστή LS, στη χωρική παρεμβολή της διαβρωτικότητας της βροχόπτωσης και στην εκτίμηση του συντελεστή φυτοκάλυψης και διαχείρισης C με τη χρήση τόσο προσεγγίσεων βασισμένων στις χρήσεις γης όσο και προσεγγίσεων βασισμένων σε δεδομένα τηλεπισκόπησης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η εδαφική διάβρωση στη λεκάνη απορροής του φράγματος Πηνειού ελέγχεται σε μεγάλο βαθμό από την τοπογραφία, τη διαβρωτικότητα της βροχόπτωσης, τη φυτοκάλυψη και τις δασικές πυρκαγιές. Οι μέθοδοι που βασίζονται σε δείκτες βλάστησης αποδείχθηκαν αποτελεσματικότερες στην αποτύπωση της απώλειας της βλάστησης μετά από κάθε πυρκαγιά και της χωρικής μεταβλητότητας σε σύγκριση με τις στατικές προσεγγίσεις που βασίζονται στις χρήσεις γης. Η εκτίμηση της πρόσχωσης του ταμιευτήρα βασίστηκε στην ανακατασκευή της ιστορικής μορφολογίας του ταμιευτήρα πριν από την πλήρωσή του και στη σύγκρισή της με τη σημερινή μορφολογία, η οποία προέκυψε από βαθυμετρικές αποτυπώσεις και δεδομένα UAV. Η ανάλυση Ψηφιακών Μοντέλων Διαφοράς έδειξε ότι περίπου 18,67 × 10^6 m3 φερτών υλικών έχουν αποτεθεί κατά τη διάρκεια περίπου 55 ετών λειτουργίας του φράγματος, ενώ η σύγκριση των καμπυλών στάθμης-χωρητικότητας έδειξε παρόμοια μείωση της χωρητικότητας του ταμιευτήρα, κοντά στα 20 × 10^6 m3. Η μάζα των αποτεθειμένων φερτών υλικών εκτιμήθηκε περίπου σε 22,74 Mt, ενώ ο μέσος μακροχρόνιος ρυθμός πρόσχωσης εκτιμήθηκε περίπου σε 1,7 cm/yr. Μετά τη διόρθωση με βάση τον βαθμό παγίδευσης του ταμιευτήρα, η μάζα των φερτών υλικών που εισήλθαν στον ταμιευτήρα εκτιμήθηκε περίπου σε 23,45 Mt. Ο βαθμονομημένος Συντελεστής Στερεοαπορροής (SDR) υπολογίστηκε σε 31,96%, τιμή πολύ κοντά στη μέση τιμή 32,23% που προέκυψε από εμπειρικές εξισώσεις SDR, επιβεβαιώνοντας την αξιοπιστία της προτεινόμενης προσέγγισης από τη λεκάνη απορροής έως τον ταμιευτήρα. Η διατριβή εξέτασε επίσης τα ιζήματα του ταμιευτήρα και τις συνθήκες της υδάτινης στήλης, αναδεικνύοντας τον ρόλο των λεπτόκοκκων ιζημάτων του πυθμένα και της εποχικής στρωμάτωσης στην απελευθέρωση σιδήρου και μαγγανίου. Συνολικά, η προτεινόμενη μεθοδολογία συνδυάζει μοντελοποίηση της εδαφικής διάβρωσης σε περιβάλλον GIS, τηλεπισκόπηση, υδροχημική παρακολούθηση και βαθυμετρικές αποτυπώσεις με δεδομένα UAV, υποστηρίζοντας τη διαχείριση ταμιευτήρων, την παρακολούθηση της πρόσχωσης και τον σχεδιασμό μέτρων ελέγχου της διάβρωσης σε μεσογειακές λεκάνες απορροής.