Υδρονομία ορεινών λεκανών απορροής σε περιβάλλον κλιματικής αλλαγής στην Κεντρική Πίνδο

Abstract

The present dissertation aims to assess the impact of climate change on surface runoff in Central Pindus torrential streams and contributes to the rational management of water resources. Specifically, the mountainous catchments of Klinovitikos, Aspropotamos, Korpos and Portaikos were studied. The study area has increased hydrological interest, because it belongs in the mountainous area of two hydrological basins (Pinios and Acheloos), which supply Central Greece with water. Additional it has long term time-series of meteorological parameters from a dense network of stations in high altitude. For the mapping of torrential streams and catchments delineation a toolbox was developed in Geographic Information Systems (G.I.S) environment using ModelBuilder visual programming language. Therefore, morphometrical and hydrographical characteristics of the torrential streams were determined and the factors that modulate the torrential environment (climate, relief, vegetation and geological subsoil) were analyzed. The vulnerable to erosion petrographic formations (flysch, limestone) occurring in the study area combined with the intense relief and the significant rainfall height, favor the development of intense torrential phenomena despite the high forest cover of the catchments. Furthermore, the spatial variability of rainfalls, temperatures and snowfalls were studied. The correlation of the above meteorological parameters with altitude gave satisfactory results, with exception of rainfall, where a multi-linear regression model was developed taking into account the geographical coordinates and distance from sea level. The least square method and non parametric test of Mann-Kendal were used to determine time series (rainfall, temperature, snowfalls) trends and their level of significance. The analysis showed that in the majority of the examined meteorological stations a downward trend in annual rainfall (-1,5% to -14,6%) and upward trend in mean annual temperatures (+2,2% to +9,4%) were recorded, which are not statistical significant. Also, a decreasing trend was recorded for both snow height (-29,3% to -58,7%) and days of snow (-24,8% to -58,8%) in almost all the examined meteorological stations, however this trend was also not statistically significant. Subsequently, the ability of regional climate models (RCMs) of ENSEMBLES European project to simulate rainfall and temperature regimes in the study area were assessed. During the evaluation process, meteorological station data were compared with the closest grid point of RCMs, for the baseline period 1974-2000. The root mean square error (RMSE), mean bias error (MBE), mean absolute error (MAE) and correlation coefficient (r) were used as evaluation criteria. The evaluation criteria indicated that better simulation, both for rainfalls and temperatures were achieved by ICTP (RegCM3) and HC (METO- HC_HadR M3Q0) models. Finally, surface runoff of the torrential streams were estimated by applying the Thornthwaite and Mather water balance model for the conditions of the baseline period (1974-2000) and the estimated future conditions (2074-2100), according to the RCMs that found to simulate better the climate of the study area. The results showed that there will be a significant reduction of surface runoff in the future. Regarding the ICTP model (RegCM3) the largest decrease occurs in summer months (-14% to -57,6%) and the lower in autumn, while according to the HC model (METO-HC_HadR M3Q0), the largest decrease occurs in autumn (-7,8% to -80,3%) and the lower in winter (-6,4% to -33,4%). Also, appropriate hydronomic works were proposed, including management of mountainous catchment, torrent beds and debris fans.

Η παρούσα διατριβή αποσκοπεί στην αξιολόγηση των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής στην επιφανειακή απορροή των χειμαρρικών ρευμάτων της Κεντρικής Πίνδου και συμβάλει στην ορθολογική διαχείριση των υδατικών πόρων. Συγκεκριμένα μελετήθηκαν οι λεκάνες απορροής του Κλεινοβίτικου, του Ασπροπόταμου, του Κόρπου και του Πορταϊκού. Η περιοχή έρευνας παρουσιάζει αυξημένο υδρολογικό ενδιαφέρον, επειδή ανήκει στον ορεινό χώρο δύο υδρολογικών λεκανών (Πηνειός, Αχελώος), που τροφοδοτούν την Κεντρική Ελλάδα με νερό. Επιπλέον διαθέτει μακροχρόνιες χρονοσειρές μετεωρολογικών παραμέτρων από ένα πυκνό δίκτυο σταθμών σε μεγάλα υψόμετρα. Για τη χαρτογράφηση των χειμαρρικών ρευμάτων και την οριοθέτηση των λεκανών απορροής αναπτύχτηκε εργαλειοθήκη σε περιβάλλον Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (Γ.Σ.Π.) με τη χρήση της οπτικής γλώσσας προγραμματισμού ModelBuilder. Στη συνέχεια, προσδιορίστηκαν τα μορφομετρικά και υδρογραφικά χαρακτηριστικά των χειμαρρικών ρευμάτων και αναλύθηκαν οι παράγοντες που διαμορφώνουν το χειμαρρικό περιβάλλον (κλίμα, ανάγλυφο, βλάστηση και γεωλογικό υπόβαθρο). Οι ευδιάβρωτοι πετρολογικοί σχηματισμοί (φλύσχης, ασβεστόλιθος) που απαντώνται στην περιοχή σε συνδυασμό με το έντονο ανάγλυφο και το σημαντικό ύψος βροχοπτώσεων, ευνοούν την ανάπτυξη έντονων χειμαρρικών φαινομένων παρά το πολύ υψηλό ποσοστό δασοκάλυψης (65%) των λεκανών απορροής. Επιπρόσθετα, μελετήθηκε η χωρική μεταβλητότητα των βροχοπτώσεων, θερμοκρασιών αέρα και χιονοπτώσεων. Η συσχέτιση των παραπάνω μετεωρολογικών παραμέτρων με το υπερθαλάσσιο υψόμετρο έδωσε ικανοποιητικά αποτελέσματα, με εξαίρεση τις βροχοπτώσεις, όπου και αναπτύχθηκε μοντέλο πολλαπλής γραμμικής παλινδρόμησης λαμβάνοντας υπόψη τις γεωγραφικές συντεταγμένες και την απόσταση των σταθμών από τη θάλασσα. Χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος των ελαχίστων τετραγώνων και o μη παραμετρικός έλεγχος Mann-Kendall για τον προσδιορισμό των τάσεων στις χρονοσειρές (βροχόπτωση, θερμοκρασία, χιονοπτώσεις) και του επιπέδου σημαντικότητας αυτών. Από την ανάλυση αυτή προέκυψε ότι στην πλειοψηφία των υπό εξέταση μετεωρολογικών σταθμών εμφανίζονται τάσεις μείωσης των ετήσιων βροχοπτώσεων (-1,5% έως -14,6%) και αύξησης των μέσων ετήσιων θερμοκρασιών (+2,2% έως +9,4%), που δεν είναι όμως στατιστικά σημαντικές. Σε ότι αφορά τις χιονοπτώσεις, καταγράφηκε τάση μείωσης, τόσο του ύψος χιονιού (-29,3% έως -58,7%) όσο και του αριθμού ημερών χιονιού (-24,8% έως -58,8%) στο σύνολο σχεδόν των υπό εξέταση σταθμών οι τάσεις δεν βρέθηκαν στατιστικά σημαντικές. Ακολούθησε η αξιολόγηση της ικανότητας των περιοχικών κλιματικών μοντέλων (Regional Climate Models - RCMs) του ευρωπαϊκού πρoγράμματος ENSEMBLES να προσομοιώνουν το βροχομετρικό και θερμοκρασιακό καθεστώς της περιοχής έρευνας. Κατά την αξιολόγηση, συγκρίθηκαν τα δεδομένα των σταθμών με τα δεδομένα του κοντινότερου σημείου πλέγματος των RMCs, για την περίοδο αναφοράς 1974-2000. Ως κριτήρια αξιολόγησης χρησιμοποιήθηκαν η τετραγωνική ρίζα του μέσου τετραγωνικού σφάλματος (RMSE), το μέσο σφάλμα μεροληψίας (MBE), το μέσο απόλυτο σφάλμα (MAE) και ο συντελεστής συσχέτισης (r). Σύμφωνα με τα κριτήρια αξιολόγησης φάνηκε ότι καλύτερη προσομοίωση, τόσο των βροχοπτώσεων όσο και των θερμοκρασιών, επιτυγχάνει το μοντέλο του ICTP (RegCM3) και έπεται το μοντέλο του HC (METO- HC_HadR M3Q0). Τέλος, εκτιμήθηκε η επιφανειακή απορροή των χειμαρρικών ρευμάτων, εφαρμόζοντας το μοντέλο υδατικού ισοζυγίου των Thornthwaite and Mather για τις συνθήκες της περιόδου βάσης (1974-2000) και τις εκτιμούμενες μελλοντικές συνθήκες (2074-2100). Προέκυψε πως θα υπάρξει σημαντική μείωση της επιφανειακής απορροής στο μέλλον. Σε ότι αφορά το μοντέλο ICTP (RegCM3) η μεγαλύτερη μείωση εμφανίζεται τους θερινούς μήνες (-14% έως -57,6%) και η μικρότερη τους φθινοπωρινούς (-0,8% έως -34,8%), ενώ σύμφωνα με το μοντέλο του HC (METO- HC_HadR M3Q0), η μεγαλύτερη μείωση εμφανίζεται τους φθινοπωρινούς μήνες (-7,8% έως -80,3%) και η μικρότερη τους χειμερινούς (-6,4% έως -33,4%). Τέλος, προτείνονται τα κατάλληλά υδρονομικά έργα, που περιλαμβάνουν τον χειρισμό των ορεινών λεκανών απορροής, των κοιτών και των κώνων πρόσχωσης των χειμαρρικών ρευμάτων, για προσαρμογή της διαχείρισης των λεκανών απορροής στην κλιματική αλλαγή.