Εκτίμηση του κινδύνου ρύπανσης των υπόγειων νερών από αγροχημικά με μοντέλα μεταφοράς μάζας στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους και δείκτες έκπλυσης

Abstract

The objective of this study is the risk assessment of groundwater vulnerability due to agrochemicals applied in irrigated agriculture, using mass transfer models in the unsaturated soil zone and leaching indices. For this purpose, two mathematical models that simulate soil water movement and solutes fate, and a combination of two simple pesticide leaching indices were used. To investigate the reliability of mathematical models, MACRO and PEARL models were calibrated, validated and evaluated using soil, climate, and hydrological data obtained from field studies in north-eastern (Ardas) and northern Greece (AUTh farm), respectively, under the Mediterranean climate and growing conditions. MACRO was used as a dual permeability and a single porosity model to describe soil water and Cl- fate in a corn field in AUTh farm, while both MACRO and PEARL were evaluated in the prediction of atrazine leaching in Ardas plain. Moreover, the PEARL model was used to predict the leaching of several pesticides applied in eight different soil profiles under different recharge values and crops (irrigated or not) in Ellispontos, a local-scale area with extensive agricultural activity. The impact of different soil, climate, and chemical characteristics of the applied agrochemicals to irrigated or no irrigated crops was used to evaluate the leaching indices AF and R¬F in local scale vulnerability (Ellispontos). MACRO model predicted accurately the soil water movement in the corn field located in AUTh farm using both the dual permeability and single porosity approaches, as confirmed by the very good agreement between field data and the obtained soil moisture values. The dual-permeability model MACRO was also compared to PEARL model, to simulate the fate of atrazine in a clayey soil in Ardas River plain and according to statistical criteria, both models predict atrazine distribution at two depths acceptably well. When AF index was applied to the top 30 cm of the Ellispontos soil profiles, under maximum, mean and minimum recharge values, the likelihood of leaching was up to moderate risk, while at the depth of 120 cm, and as a consequence at the level of groundwater table, there was a very low risk of leaching. The qualitative results of AF index were compared to the quantitative results of PEARL model, using the criterion of losses to groundwater, and were found to be in good agreement.

Αντικείμενο της διατριβής αποτελεί η εκτίμηση του κινδύνου ρύπανσης των υπογείων νερών από τη χρήση διάφορων αγροχημικών ουσιών στην αρδευόμενη γεωργία χρησιμοποιώντας μοντέλα μεταφοράς μάζας στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους και μαθηματικούς δείκτες έκπλυσης. Για την επίτευξη του σκοπού της διατριβής διερευνήθηκε η αξιοπιστία δύο σύνθετων μαθηματικών μοντέλων που περιγράφουν την κίνηση του νερού και τη συμπεριφορά των ουσιών στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους, και ο συνδυασμός δύο δεικτών έκπλυσης. Η διερεύνηση της αξιοπιστίας των μαθηματικών μοντέλων περιλαμβάνει τη ρύθμιση, επιβεβαίωση και αξιολόγησή τους με εδαφολογικά, υδρολογικά και μετεωρολογικά δεδομένα για τις αρδευτικές ανάγκες και την ανάπτυξη της καλλιέργειας καλαμποκιού σε δύο εφαρμογές. Στην πρώτη εφαρμογή το μοντέλο MACRO χρησιμοποιείται για την προσομοίωση της υγρασίας και της συμπεριφοράς των ιόντων Cl- που εισάγονται με το νερό της άρδευσης στο έδαφος ενός πειραματικού αγροτεμαχίου του Αγροκτήματος του Α.Π.Θ. στην Κεντρική Μακεδονία. Το μοντέλο MACRO εφαρμόζεται σαν ένα μοντέλο διπλής διαπερατότητας, λαμβάνοντας υπόψη την επιλεκτική ροή του νερού, και σαν ένα μοντέλο απλού πορώδους. Στη δεύτερη εφαρμογή γίνεται η συγκριτική αξιολόγηση των μοντέλων PEARL και MACRO, ενός μοντέλου απλού πορώδους και ενός διπλής διαπερατότητας, αντίστοιχα, για την περιγραφή της δυναμικής του νερού και της μεταφοράς μάζας της ατραζίνης στο έδαφος ενός αγροτεμαχίου στην περιοχή του Άρδα στο νομό Έβρου. Το μοντέλο PEARL εφαρμόζεται επίσης σαν ένα ολοκληρωμένο εργαλείο πρόβλεψης της επικινδυνότητας ρύπανσης σε μια περιοχή ευρείας έκτασης, με έντονη γεωργική δραστηριότητα όπως η περιοχή του Ελλησπόντου στο νομό Κοζάνης. Η αξιολόγηση της μεθοδολογίας των δεικτών έκπλυσης AF και R¬F γίνεται με τη διερεύνηση των εδαφολογικών και κλιματικών συνθηκών και των φυσικοχημικών ιδιοτήτων διαφορετικών ουσιών που εφαρμόζονται στο αγροτεμάχιο του Άρδα, αλλά και σε αρδευόμενες ή μη καλλιέργειες στην περιοχή του Ελλησπόντου. Τα ποιοτικά αποτελέσματα που προκύπτουν από αυτή τη μεθοδολογία συγκρίνονται και αξιολογούνται με τα ποσοτικά αποτελέσματα που προκύπτουν από την αντίστοιχη εφαρμογή με το μοντέλο PEARL. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων με το μοντέλο MACRO έδειξαν πολύ ικανοποιητική ακρίβεια της μεταβολής της εδαφικής υγρασίας στο αγροτεμάχιο του Α.Π.Θ. με την προσέγγιση της διπλής διαπερατότητας αλλά και του απλού πορώδους, όπως προέκυψε από τα στατιστικά κριτήρια μεταξύ μετρημένων και υπολογισμένων τιμών. Η συγκέντρωση των χλωριόντων στα εδαφικά βάθη περιγράφεται με παρόμοιο τρόπο και με τις δύο προσεγγίσεις. Από τα στατιστικά κριτήρια μεταξύ των μετρημένων και υπολογισμένων τιμών προκύπτει ότι τα μοντέλα PEARL και MACRO μπορούν να προσομοιώσουν πολύ ικανοποιητικά τη χωροχρονική μεταβολή της συγκέντρωσης της ατραζίνης στο αγροτεμάχιο του Άρδα. Στην περιοχή του Ελλησπόντου οι τιμές του δείκτη AF για τα διάφορα εδαφολογικά, κλιματικά, χημικά δεδομένα και χρήσεις γης στα πρώτα 30 cm του εδάφους κατατάσσουν την πιθανότητα έκπλυσης των ουσιών έως μέση, ενώ στο βάθος των 120 cm η πιθανότητα έκπλυσης χαρακτηρίζεται ως μηδενική. Τα ποιοτικά αποτελέσματα του δείκτη έκπλυσης AF συνδέθηκαν με τα ποσοτικά αποτελέσματα του μαθηματικού μοντέλου PEARL μέσω του κριτηρίου των απωλειών λόγω έκπλυσης, και από την αξιολόγησή τους προέκυψε ότι για τις δεδομένες κλιματικές και εδαφολογικές συνθήκες η πιθανότητα έκπλυσης των διαφόρων ουσιών στα 120 cm είναι μηδενική.