Ανάπτυξη μοντέλων στερεομεταφοράς σε ορεινές λεκάνες απορροής εστιάζοντας στην λεκάνη του Βουραϊκού ποταμού

Abstract

The main objective of this thesis was to study qualitatively and quantitatively sediment transport in Vouraikos river, Greece, and the associated processes of soil/hillslope erosion. For this purpose a 5-year measurement program was scheduled and implemented by the writter and by personnel of two Universities, Harokopio University of Athens (HUA) and TEI Athens (now University of West Attica, UNIWA), and instrumented by a variety of devices and instruments, some of them home-made. From the reconnaissance visit in June 12, 2012, up to the last visit, in March 31, 2018, a total of 27 field visits were made. Inevitably, for comparison and validation purposes, two other studies evolved as side-projects of the main objective stated initially. The first was a remote sensing study of 23 rivers of the penishula, where the objective was a comparative analysis of the rivers’ sediment transport potential and seasonality. The second was the development of empirical statistical models (equations) for prediction of specific suspended sediment yield for mountainous basins of Greece. Concerning the remote sensing study, 669 Level 1B Modis images (MOD02) were downloaded and processed. Equal-area polygons drawn in the mouth of the selected rivers were used as regions of interest and the suspended sediment load of each river was assessed with the use of indices, ratios and masks involving all 3 visible channels and NIR. Thus, the rivers were ranked according to their suspended sediment delivery, seasonal patterns of sediment discharge from the basins were assessed, effect of sand and dust storms on sediment productivity were identified and a “sediment atlas” was cosntructed. In a latter stage, product MOD09Q1, a level 3, 8-day composite was also used for the whole period of the platform’s life, including the whole series of this product from 2000 to 2019 covering, this time, 23 rivers (including also Albanian rivers Vjose and Seman). In-depth analysis was based on MOD02 but final ranking was based on MOD09Q1.Considering the empirical model development, the controls over suspended sediment yield in 11 stations situated along 6 major rivers of Western – Northern Greece (Arachthos, Achelooos, Evinos, Aoos, Kalamas and Aliakmon) were explored. The principal controls were found to be slope and lithology followed by precipitation, runoff and landslide frequency. A model was built with the use of stepwise multiple regression analysis, that employed three variables: slope (in percent), precipitation (mean annual, in mm) and lithology (as percentage of the easily erodible geological formations within the catchment), where the contribution of lithology is an additive exponential term to the slope-precipitation power relationship. The proposed model achieves good statistics (NSE=0.84). From the other models tested with our dataset, BQART performs well, while RUSLE2015 of the ESDC performs poor. Finally, overall results were recapitulated and synthesized, problems and limitations were discussed and proposals for further study were made.

Η παρούσα εργασία κύριο σκοπό είχε την εκτίμηση του μεταφερόμενου φορτίου ιζήματος, αιωρούμενου και πυθμενικού, στην λεκάνη του Βουραϊκού ποταμού. Πιο ειδικά, η περιοχή μελέτης εντοπίστηκε μεταξύ των σταθμών του οδοντωτού σιδηροδρόμου Κερπινή (Χιλιομετρική θέση 18+000) και Κάτω Ζαχλωρού (Χιλιομετρική θέση 12+600). Για τον σκοπό αυτό υλοποιήθηκε ένα πρόγραμμα υδρομετρήσεων, μετρήσεων αιωρούμενου φορτίου, φορτίου πυθμένα και δειγματοληψιών κοίτης και διερχόμενου στερεοφορτίου το οποίο διήρκεσε περίπου 5 χρόνια (2013-2018), μέσα στα οποία έγιναν συνολικά 27 επισκέψεις. Τα υδρομετρικά δεδομένα προέρχονται από τον σταθμό της ΔΕΗ ανάντη της Ζαχλωρούς και συνίστανται σε συνεχή σταθμηγραφήματα του ποταμού για δύο διακριτές περιόδους, τις ενδεκαετίες 1980-1990 και 2004-2014, καθώς επίσης και τα στοιχεία των περίπου 330 υδρομετρήσεων που είχαν κάνει στη θέση αυτή τα συνεργεία της ΔΕΗ. Για λόγους επαλήθευσης και αξιολόγησης των αποτελεσμάτων αυτών, καθώς και για λόγους επέκτασης της έρευνας, αναπτύχθηκαν δύο ακόμα επιμέρους κατευθύνσεις της εργασίας. Η πρώτη χρησιμοποίησε μεθόδους και δεδομένα τηλεπισκόπησης και φωτοερμηνείας (ειδικότερα τα προϊόντα MOD02, MOD35 και MOD09Q1 του ραδιόμετρου MODIS της NASA), και επεκτάθηκε σε μεγάλο μέρος του ελλαδικού χώρου αλλά και εκτός αυτού (πιο ειδικά στους ποταμούς Σεμάν και Βγιόσε -Αώο- της Αλβανίας) καλύπτοντας 23 ποταμούς. Στόχος αυτής της έρευνας ήταν η συγκριτική ταξινόμηση του ιζηματολογικού δυναμικού των ποταμών αυτών μέσω της χρήσης δεικτών (γραμμικών συνδυασμών της ανακλαστικότητας στα κανάλια μπλέ, πράσινο, κόκκινο και εγγύς υπέρυθρο), οι οποίοι ανιχνεύονταν μέσα σε ισάριθμα πολύγωνα, που σχεδιάστηκαν στις εκβολές των ποταμών αυτών στη θάλασσα, εκεί όπου σχηματίζονται τα πλούμιά τους μετά από τις μεγάλες πλημμύρες. Σε συνδυασμό με πλεγματικά δεδομένα βροχόπτωσης για την χρονική περίοδο 2004-2014 προέκυψαν αρκετά ενδιαφέροντα συμπεράσματα σε σχέση με την στερεοπαραγωγικότητα των ποταμών καθώς και ένας «άτλας» διάβρωσης του Ελληνικού χώρου. Η δεύτερη κατεύθυνση που πήρε η έρευνα επιδίωξε την κατασκευή ενός εμπειρικού στατιστικού μοντέλου μέσω της ανάλυσης των συσχετίσεων των μετρημένων στερεοαπορροών σε 11 σταθμούς, σε έξι μεγάλους ποταμούς της Β. και ΒΔ Ελλάδας, έτσι όπως δημοσιεύτηκαν από τους Ζαρρής κ.ά (2007), με μια πληθώρα παραμέτρων (~40) που προέκυψαν από την ανάλυση των λεκανών απορροής. Από τους παράγοντες αυτούς, οι πιο σημαντικοί αποδείχτηκε ότι είναι η μορφολογική κλίση, η λιθολογία της λεκάνης απορροής (ευδιάβρωτα πετρώματα όπως, κυρίως, ο φλύσχης) και η βροχόπτωση, με τους οποίους και κατασκευάστηκε το τελικό μοντέλο. Δοκιμάστηκαν και αξιολογήθηκαν σε αυτή την φάση και υφιστάμενα μοντέλα, όπως το BQART των Syvitski-Milliman (2007) και οι χάρτες της μεθόδου RUSLE2015 όπως δημοσιεύτηκαν πρόσφατα από το European Soil Data Center (Panagos et al., 2015). Στο τέλος της εργασίας επιχειρείται η σύνθεση των παραπάνω αποτελεσμάτων και η εξαγωγή κάποιων γενικών συμπερασμάτων για τον Ελλαδικό χώρο.