Έρευνα του υδροδυναμικού φορτίου και των δυνατοτήτων αξιοποίησής του σε χειμάρρους του ελλαδικού χώρου

Abstract

Τhe present PhD thesis aimed at the analysis – evaluation of the potential hydropower of typical streams of the Greek territory and, especially, of Western Macedonia and its exploitation capacity, after a systemic recording of their discharge. In order to achieve the aims of the present thesis, three study areas were selected; these were the drainage basins of Ano Melas, Agios Antonios and Byssinia in Western Macedonia, belonging to the municipalities of Kastoria and Florina. For the three study areas the morphometric – hydrographic characteristics were calculated and their geological structure and vegetation were determined. Meteorological data were collected in order to develop the orographic precipitation gradient for the area and to determine the monthly and annual precipitation for 30 years (water years from 1977-78 to 2006-2007). In order to calculate the discharge of each stream, a suitable gaging site was selected, where the cross section surface and perimeter were measured three times per month for 24 months. There, the roughness coefficient was also estimated, while the bed slope, in a linear part of the bed above the gaging site, was measured. In this way, the streams’ discharge for two subsequent water years was determined (2005-06 and 2006-07). In addition, the correlation between the monthly precipitation and the monthly discharge for the water years of 2005-06 and 2006-07 was determined, so that the monthly discharge for the water years from 1977-78 to 2004-05 could be estimated. The discharge per unit area was also calculated for the above mentioned 30 years. Based on the measured (2005-06 and 2006-07) and the estimated (1977-78 to 2004-05) discharge, the potential hydropower, as well as, the potential hydropower per unit area of the three streams were calculated for the water years from 1977-78 to 2006-07, using a minimum head of 1m. The mean annual potential hydropower of the 30 water years is 26.744kW for Ano Melas stream, 59.587kW for Agios Antonios stream and 106.279kW for Byssinia stream. The mean annual potential hydropower per unit area is 1618,2W/km2, 2030,1W/km2 and 5782,8W/km2 respectively. Therefore, by designing a suitable reservoir, in order to withhold an amount of the stream discharge, and by increasing the head, both streams of Ano Melas and Agios Antonios, and mainly the stream of Byssinia could be exploitable in terms of hydroenergy. Trying to extent the above results to other drainage basins of Western Macedonia and of the Greek territory in general, it appears that streams which: a) have mean annual precipitation above 800mm, with normal distribution and significant amount of precipitation during the summer months, b) have adequate presence of snow that contributes to the spring discharge, c) are established on relatively impermeable rocks, d) have good forest coverage that normalizes discharge extremes and prevents from hydrological phenomena and from intense, uncontrolled debris flow and sediment transport, e) have adequate elevation gradient, which could provide a sufficient head, f) present similar conditions of discharge development (quantity, spatial and temporal distribution, low flood and debris flow and sediment transport risk) and g) have appropriate, environmentally and socio-economically, sites where reservoirs could be established or where an adequate head could be accomplished, are exploitable in terms of hydroenergy.

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η ανάλυση – αξιολόγηση του υδροενεργειακού δυναμικού και των δυνατοτήτων αξιοποίησής του σε αντιπροσωπευτικούς χειμάρρους του ελλαδικού χώρου και ιδιαίτερα της Δυτικής Μακεδονίας, μετά από συστηματική καταγραφή του υδατικού και υδρονομικού δυναμικού τους. Για την επίτευξη των σκοπών της παρούσας διατριβής επιλέχθηκαν τρεις περιοχές μελέτης. Πρόκειται για τις λεκάνες απορροής των χειμάρρων Άνω Μελά, Αγίου Αντωνίου και Βυσσινιάς, οι οποίες εντοπίζονται στη Δυτική Μακεδονία, στους νομούς Καστοριάς και Φλώρινας. Για τις τρεις περιοχές μελέτης υπολογίστηκαν τα μορφομετρικά – υδρογραφικά χαρακτηριστικά τους και προσδιορίστηκε η γεωλογική τους σύσταση και οι συνθήκες βλάστησης. Ακόμη, αναζητήθηκαν μετεωρολογικά δεδομένα για τον υπολογισμό της βροχοβαθμίδας της ευρύτερης περιοχής και στη συνέχεια τον προσδιορισμό των μηνιαίων και ετήσιων υψών των κατακρημνισμάτων για διάρκεια 30 ετών (υδρολογικά έτη 1977-78 έως 2006-07). Ακολούθως, επιλέχθηκε η θέση μέτρησης της υδατοαπορροής σε κάθε χειμάρρο, όπου μετριόταν η διαβρεχόμενη επιφάνεια και η διαβρεχόμενη περίμετρος της υγρής διατομής της κοίτης, τρεις φορές το μήνα, για 24 μήνες. Επιπλέον, γινόταν εκτίμηση του συντελεστή τραχύτητας, ενώ μετρήθηκε και η κλίση σε ευθύγραμμο τμήμα της κοίτης άναντες κάθε θέσης μέτρησης. Έτσι, υπολογίστηκαν οι παροχές για δύο συνεχόμενα υδρολογικά έτη (2005-06 και 2006-07). Παράλληλα ελέγχθηκε η συσχέτιση ανάμεσα στα μηνιαία ύψη κατακρημνισμάτων και τις αντίστοιχες μηνιαίες παροχές των μελετώμενων λεκανών για τα υδρολογικά έτη 2005-06 και 2006-07, προκειμένου να εκτιμηθούν οι μηνιαίες παροχές των υδρολογικών ετών 1977-78 έως και 2004-05. Επίσης, υπολογίστηκαν οι ειδικές παροχές της 30ετίας. Με βάση τις μετρηθείσες (2005-06, 2006-07) και υπολογισθείσες (1977-78 έως 2004-05) παροχές υπολογίστηκε η δυνατή παραγόμενη ισχύς των τριών χειμάρρων για τα έτη 1977-78 έως 2006-07, για ελάχιστο ύψος πτώσης 1m, καθώς και η δυνατή παραγόμενη ισχύς ανά μονάδα επιφάνειας για το ίδιο χρονικό διάστημα. Η μέση ετήσια δυνατή παραγόμενη ισχύς της 30ετίας υπολογίστηκε στα 26,744kW για το χείμαρρο του Άνω Μελά, 59,587W για το χείμαρρο του Αγίου Αντωνίου και 106,279kW για το χείμαρρο της Βυσσινιάς. Αντίστοιχα, η μέση ετήσια δυνατή παραγόμενη ισχύς ανά μονάδα επιφάνειας είναι 1618,2W/km2, 2030,1W/km2 και 5782,8W/km2. Συνεπώς, με κατάλληλο, ορθολογικό σχεδιασμό ταμίευσης ποσότητας των υδατοφορτίων των χειμάρρων και με αντίστοιχη αύξηση του ύψους πτώσης, οι χείμαρροι του Άνω Μελά, του Αγίου Αντωνίου και κυρίως ο χείμαρρος της Βυσσινιάς καθίστανται ενεργειακά εκμεταλλεύσιμοι. Συνοψίζοντας και προεκτείνοντας σε άλλες λεκάνες απορροής της Δυτικής Μακεδονίας και γενικότερα του ελλαδικού χώρου προκύπτει ότι χείμαρροι που: α) έχουν μέσο ετήσιο ύψος κατακρημνισμάτων μεγαλύτερο των 800mm, με κανονική χρονική κατανομή και σημαντικό ύψος βροχόπτωσης την ξηρή περίοδο, β) έχουν επαρκή παρουσία χιονιού που συνεισφέρει στην παροχή της εαρινής περιόδου, γ) εδράζονται σε σχετικά αδιαπέρατα πετρώματα, δ) έχουν πολύ καλή δασοκάλυψη, η οποία εξομαλύνει τις ακραίες υδατοπαροχές και αποτρέπει τα χειμαρρικά φαινόμενα και την έντονη μη ελεγχόμενη στερεομεταφορά, ε) διαθέτουν επαρκές υψομετρικό ανάπτυγμα, ώστε να είναι δυνατή η απόκτηση επαρκούς ύψους πτώσης, στ) εμφανίζουν παρόμοιες συνθήκες δημιουργίας υδατοπαροχών (ποσότητα, χωρική και χρονική κατανομή, μικρή πλημμυρική υδατοστερεομεταφορική επικινδυνότητα), και ζ) διαθέτουν κατάλληλες περιβαλλοντικά, κοινωνικά και οικονομικά θέσεις ταμίευσης και δημιουργίας ικανού ύψους πτώσης, είναι ενεργειακά εκμεταλλεύσιμοι.