Effect of reservoir sedimenttion in shoreline erosion: the example of Nestos river

The coastal region is characterized by dynamics that are governed by two major mechanisms. The coastline sediment supply mechanism and the sediment distribution mechanism along the coasts. The soil erosion in a hydrological basin, mainly due to precipitation and surface runoff, supplies the coastline with sediments. Therefore, the shoreline erosion mechanisms are closely related to the sediment balance as well as to the factors that intercept sediment from reaching the shoreline regions.At early nineties, two major hydroelectric reservoirs were constructed in the Greek part of Nestos River, at the locations “Thisavros” and “Platanovrysi”. The aim of the present PhD Thesis is to investigate the effect of the construction of these two reservoirs (dams) on the morphology of the shoreline both in the delta region as well as in the adjacent east and west shorelines. In order to calculate the mean annual sediment budget that reaches the reservoirs of Thisavros and Platanovrysi as well as the sediment budget that ends up to the outlet of Nestos River hydrological basin (Toxotes location), the mathematical model RUNERSET (RUNoff ERosion SEdiment Transport) (Hrissanthou, 2002) was applied. This model estimates the annual sediment yield at the outlet of an investigated hydrological basin and it consists of three submodels: a rainfall-runoff submodel, a soil erosion submodel and a river sediment transport submodel. For the application of the proposed mathematical model, a FORTRAN code was developed. This code was applied for the calculation of the annual soil quantity that erodes in every basin (yd), the quantity of sediment that reaches the outlet of each basin (ya) as well as of the sediment delivery ratio (dr), for the Bulgarian part of Nestos River basin and for the years 1980-1990. The predictions of the model were validated with available suspended sediment field measurements at the location “Momina Koula”, at the Bulgarian part of Nestos River basin, for the years 1937 to 1989 (Gergov, 1996). The relatively small divergence between the calculations and the field measurements of the annual sediment budget encourages the further application of the mathematical model RUNERSET. Therefore, after its validation, the proposed model was applied to the Bulgarian part of the Nestos River basin, upstream of Thisavros Reservoir, while for the Greek part the results from similar investigations of other researchers were used. From this application of the mathematical model it is concluded that the construction of the considered reservoirs has induced a dramatic reduction (approximately 83%) of the sediment yield at the outlet of the considered hydrological basin (delta) and consequently, indirectly, to the adjacent shorelines. The methodology used to monitor the coastline evolution in the delta of the river and the adjacent shorelines consists in the use of available high-resolution satellite images from the archives of QuickBird (QB) satellite and available aerial photographs from the Hellenic Military Geographical Service (HMGS), in conjunction with field surveying data from the region that were acquired using high resolution DGPS (Differential Global Positioning System) measurements. All these raw data were obtained from the research program INTERREG IIIC: Project BeachMed-e, OPTIMAL and were further processed and analyzed for the purposes of the present PhD Thesis. To test the reliability of the adopted methodology for shoreline change monitoring, this was initially applied to a small portion of the total pilot study area. This test section consists of the mainland coast, west of the delta of the river, extending from Akroneri Cape up to Keramoti Bay. The accuracy of the DGPS measurements in accordance with the specifications of the equipment used was in the order of a few centimeters. However, this was tested and verified with points of known coordinates. To investigate the balance of erosion / accretion between the years 1945 and 2002 (period before the construction of the dams) as well as between the years 2002 and 2007 (period after the construction of the dams), shoreline evolution maps for various parts (hot spots) of the study area were constructed. From the shoreline change monitoring results, it was found that there are several sections (hot spots) throughout the study area, with a maximum rate of change of coastline ranging from four to 30 m per year, both before and after the construction of the dams. However, comparing the balance of erosion and sedimentation of the study area as a whole, both before and after the construction and operation of the dams, it can be concluded that the reduction in the Nestos River delta sedimentation and thus, indirectly, in the adjacent shorelines, has almost inverted the previous state (dominated by the sedimentation against erosion by 25.36%) and in just five years after the construction of the dams, erosion dominates accretion by 21.26%. This finding evaluates the direct impact of the construction of the reservoirs on the increase of erosion in the coastal region of ​​Nestos River delta and the adjacent shorelines.For the purposes of the present PhD Thesis, it was deemed necessary to also extract a more recent shoreline (2013), in order to compare with the shorelines of 2002 and 2007, aiming to quantitatively investigate the dynamic evolution of the study region, focusing on erosion. For this reason, additional DGPS field measurements were performed, following the same methodology and time period (spring) with the corresponding field measurements of the year 2007. By recording the current state of the coastline (2013) and comparing with the previous shorelines up to the perceived chronology of the construction and operation of the dams (2002), it resulted that erosion, in relation to the deposition that has been observed in the period 2002-2007, shows an increasing trend over the next six years. It should also be mentioned that the average erosion rates, in the three investigated sub-regions of the total pilot study area, indicate relatively large values, with the area of Keramoti Bay reaching almost two meters per year.At the last part of the present PhD Thesis, the mechanical removal (dredging) or flushing of sediment from the reservoir of Platanovrysi and their disposal in the sub-basin of Toxotes, i.e. the outlet (delta) of Nestos River, are investigated as treatment methods of reducing coastal erosion. For this purpose, the mathematical model RUNERSET was properly modified and various scenarios of sediment management in the Platanovrysi Reservoir were simulated, while an assessment of the most effective and consistent month for sediment flushing or dredging, as well as of the maximum transport quantity of the removed material was made. Finally, a comparison of the two methods was made, concerning the maximum sediment quantities that reach the basin outlet, in the optimal for each method month. The comparison made distinguishes a small superiority of flushing.The overall findings and conclusions arising from the present thesis contribute to the overall need to thoroughly understand the direct effect of reservoir construction on coastal erosion. More specifically, this thesis constitutes one of the first attempts to quantify the disruption of the sediment balance in the delta of Nestos River due to the construction and operation of the Thisavros and Platanovrysi Reservoirs, considering simultaneously the impact of this disturbance on the erosion/accretion balance both at the river delta and the adjacent shorelines. Moreover, for the first time, an effort is made for the evaluation of the optimum periods and sediment management methods, aiming to increase the annual sediment that reaches the outlet of the Nestos River basin, and consequently to reduce erosion in the delta of the river and the adjacent shorelines. Finally, it is evident that the overall research methodology applied in the present PhD Thesis may constitute a useful tool for the further investigation of the effect of reservoir construction on the coastal erosion for other pilot application areas.Ο παράκτιος χώρος χαρακτηρίζεται από μία δυναμική, η οποία καθορίζεται κυρίως από δύο μηχανισμούς, το μηχανισμό τροφοδοσίας των ακτών με φερτές ύλες και το μηχανισμό διευθέτησης των τελευταίων στις ακτές. Η εδαφική διάβρωση σε μία λεκάνη απορροής, λόγω κυρίως των βροχοπτώσεων και της επιφανειακής απορροής, τροφοδοτεί τις ακτές με φερτές ύλες. Οι μηχανισμοί της διάβρωσης, συνεπώς, συνδέονται στενά με το ισοζύγιο των φερτών υλών και τους παράγοντες αποστέρησης των ακτών από αυτές. Τα φράγματα που κατασκευάζονται για την κάλυψη διαφόρων αναγκών, είτε προστασίας από πλημμύρες είτε ύδρευσης και άρδευσης, παγιδεύουν σημαντικές ποσότητες φερτών υλών, οι οποίες τελικά θα κατέληγαν στην ακτή και θα αποτελούσαν υλικό απόθεσης, με αποτέλεσμα την οπισθοχώρηση της ακτής και την αύξηση της τρωτότητάς της στη διάβρωση (Κουτίτας, 1996). Στη διεθνή βιβλιογραφία καταγράφεται μία πληθώρα περιπτώσεων παράκτιας διάβρωσης που συνδέονται με την κατασκευή φραγμάτων σε ανάντη των δέλτα περιοχές, στην ηπειρωτική ζώνη.Στις αρχές της δεκαετίας του 1990 κατασκευάστηκαν στο ελληνικό τμήμα του ποταμού Νέστου, στις θέσεις “Θησαυρός” και “Πλατανόβρυση”, δύο μεγάλα υδροηλεκτρικά φράγματα. Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η διερεύνηση της επίδρασης της κατασκευής των δύο αυτών φραγμάτων στη μορφολογία της ακτογραμμής, τόσο στο δέλτα όσο και στην εγγύς περιοχή, ανατολικά και δυτικά αυτού.Προκειμένου να υπολογιστεί η μέση ετήσια ποσότητα φερτών υλών που εισρέει στους ταμιευτήρες Θησαυρού και Πλατανόβρυσης, καθώς και η μέση ετήσια ποσότητα φερτών υλών που φτάνει στην έξοδο της λεκάνης απορροής του Νέστου (θέση Τοξότες), εφαρμόστηκε το μαθηματικό μοντέλο RUNERSET (RUNoff ERosion SEdiment Transport) (Hrissanthou, 2002), το οποίο εκτιμά το ετήσιο στερεοφορτίο στην έξοδο της υπό μελέτη λεκάνης απορροής και αποτελείται από τρία υπομοντέλα: ένα υπομοντέλο βροχής - απορροής, ένα υπομοντέλο διάβρωσης και ένα υπομοντέλο μεταφοράς φερτών υλών σε υδατορρεύματα. Για το εν λόγω μαθηματικό μοντέλο αναπτύχθηκε ένα πρόγραμμα ηλεκτρονικού υπολογιστή σε γλώσσα FORTRAN. Με το πρόγραμμα αυτό υπολογίστηκαν για το βουλγαρικό τμήμα του Νέστου και για τα έτη 1980-1990 η ετήσια ποσότητα του εδάφους που διαβρώνεται σε κάθε λεκάνη (yd), η ποσότητα των φερτών υλών που φτάνουν στην έξοδο κάθε λεκάνης (ya) και ο βαθμός στερεοπαροχής (dr). Για τον έλεγχο του μοντέλου χρησιμοποιήθηκαν μετρήσεις αιωρούμενων φερτών υλικών στη θέση “Momina Koula” που βρίσκεται στο βουλγαρικό τμήμα της λεκάνης απορροής του ποταμού Νέστου και για την οποία υπάρχουν μετρήσεις αιωρούμενων φερτών υλών για τα έτη 1937 έως 1989 (Gergov, 1996). Η σχετικά μικρή απόκλιση μεταξύ υπολογισμών και μετρήσεων του μέσου ετήσιου στερεοφορτίου ενθάρρυνε την εφαρμογή του μαθηματικού μοντέλου RUNERSET. Το μοντέλο RUNERSET, μετά τον έλεγχο της αξιοπιστίας του, εφαρμόστηκε στη λεκάνη απορροής του Νέστου, στο βουλγαρικό τμήμα, ανάντη του φράγματος του Θησαυρού, ενώ για το ελληνικό τμήμα χρησιμοποιήθηκαν αποτελέσματα εργασιών άλλων ερευνητών. Από την εφαρμογή του μαθηματικού μοντέλου προέκυψε ότι η κατασκευή των φραγμάτων έχει προκαλέσει μια δραματική μείωση (περίπου 83%) του στερεοφορτίου στην έξοδο της λεκάνης απορροής (δέλτα) και συνεπώς, έμμεσα, στις γειτονικές ακτές. Η μεθοδολογία που χρησιμοποιήθηκε για την παρακολούθηση της μεταβολής της ακτογραμμής στο δέλτα του Νέστου και των παρακείμενων ακτών, συνίσταται στη χρήση διαθέσιμων δορυφορικών εικόνων υψηλής ανάλυσης από το αρχείο του δορυφόρου QuickBird (QB) και αεροφωτογραφιών από την Ελληνική Γεωγραφική Υπηρεσία Στρατού (ΓΥΣ), σε συνδυασμό με μετρήσεις πεδίου της περιοχής με GPS (Global Positioning System) υψηλής ανάλυσης. Τα εν λόγω πρωτογενή δεδομένα πάρθηκαν από το ερευνητικό πρόγραμμα INTERREG IIIC: Project BeachMed-e, OPTIMAL και επεξεργάστηκαν και αναλύθηκαν εκ νέου για τις ανάγκες της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Προκειμένου να ελεγχθεί η αξιοπιστία της υιοθετημένης μεθοδολογίας παρακολούθησης της εξέλιξης της ακτογραμμής, εφαρμόστηκε αρχικά σε ένα μικρό τμήμα της συνολικής περιοχής. Το εν λόγω τμήμα δοκιμής αποτελείται από την ηπειρωτική ακτή στα δυτικά του δέλτα του Νέστου που εκτείνεται από το ακρωτήριο “Ακρονέρι” μέχρι τον κόλπο της Κεραμωτής. Η ακρίβεια των μετρήσεων DGPS σύμφωνα με τις προδιαγραφές του εξοπλισμού που χρησιμοποιήθηκε, ήταν της τάξης μερικών εκατοστών. Ωστόσο, αυτή ελέγχθηκε και επαληθεύτηκε με σημεία γνωστών συντεταγμένων. Προκειμένου να διερευνηθεί το ισοζύγιο της διάβρωσης/πρόσχωσης μεταξύ των ετών 1945 και 2002 (χρονικό διάστημα πριν από την κατασκευή των φραγμάτων) και των ετών 2002 έως 2007 (χρονικό διάστημα μετά την κατασκευή των φραγμάτων), κατασκευάστηκαν χάρτες εξέλιξης της ακτογραμμής, για διάφορα τμήματα (hot spots) της περιοχής μελέτης. Από τα αποτελέσματα της παρακολούθησης της μεταβολής της ακτογραμμής, διαπιστώθηκε ότι υπάρχουν διάφορα τμήματα (hot spots) σε ολόκληρη την περιοχή μελέτης, με μέγιστους ρυθμούς μεταβολής της ακτογραμμής να κυμαίνονται από τέσσερα έως 30 m ανά έτος, τόσο πριν όσο και μετά την κατασκευή των φραγμάτων. Ωστόσο, συγκρίνοντας το ισοζύγιο διάβρωσης και πρόσχωσης της περιοχής μελέτης, συνολικά, τόσο πριν όσο και μετά την κατασκευή και λειτουργία των φραγμάτων, μπορεί να εξαχθεί το συμπέρασμα ότι η μείωση της τροφοδοσίας του δέλτα του Νέστου με φερτές ύλες, από τη λεκάνη απορροής του ποταμού, και συνεπώς, έμμεσα, των παρακείμενων ακτών, έχει ανατρέψει σχεδόν την προηγούμενη κατάσταση (όπου κυριαρχούσε η πρόσχωση έναντι της διάβρωσης κατά 25,36%), μόλις μέσα σε πέντε χρόνια μετά την κατασκευή των φραγμάτων, με τη διάβρωση να κυριαρχεί πλέον της πρόσχωσης κατά 21,26%. Το εύρημα αυτό καταδεικνύει την άμεση επίπτωση της κατασκευής των φραγμάτων του Θησαυρού και της Πλατανόβρυσης στην αύξηση της διάβρωσης στην παράκτια περιοχή του δέλτα του ποταμού Νέστου και στις παρακείμενες ακτές. Για τους σκοπούς της παρούσας διδακτορικής διατριβής κρίθηκε απαραίτητη η εξαγωγή και μιας πιο πρόσφατης ακτογραμμής (2013), προκειμένου να συγκριθεί με τις ακτογραμμές του 2002 και 2007, αποσκοπώντας στην ποσοτική διερεύνηση της δυναμικής εξέλιξης της υπό μελέτη περιοχής, εστιάζοντας στο φαινόμενο της διάβρωσης. Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκαν νέες μετρήσεις πεδίου με DGPS, ακολουθώντας την ίδια μεθοδολογία και χρονική περίοδο (άνοιξη) με τις αντίστοιχες μετρήσεις του έτους 2007. Από την καταγραφή της σημερινής κατάστασης της ακτογραμμής (2013) και τη σύγκριση με τις προηγούμενες ακτογραμμές έως τη θεωρούμενη χρονολογία της κατασκευής και λειτουργίας των φραγμάτων (2002), προέκυψε ότι η διάβρωση σε σχέση με την απόθεση που παρατηρήθηκε τη χρονική περίοδο 2002-2007, παρουσιάζει μια αυξητική τάση την επόμενη εξαετία. Αξιοσημείωτο είναι, επίσης, ότι οι μέσοι ρυθμοί διάβρωσης, στις τρεις εξεταζόμενες υποπεριοχές της συνολικής περιοχής διερεύνησης, εμφανίζουν σχετικά μεγάλες τιμές, με την περιοχή της Κεραμωτής να αγγίζει τα δύο μέτρα ανά έτος.Στο τελευταίο μέρος της παρούσας διδακτορικής διατριβής πραγματοποιείται διερεύνηση της μηχανικής απομάκρυνσης (dredging) ή της έκπλυσης (flushing) φερτών υλών από τον ταμιευτήρα Πλατανόβρυσης και η διάθεσή τους στη λεκάνη απορροής των Τοξοτών, στην έξοδο (δέλτα) του ποταμού, ως μεθόδων περιορισμού της παράκτιας διάβρωσης. Για το σκοπό αυτό τροποποιήθηκε κατάλληλα το μοντέλο RUNERSET και διερευνήθηκαν σενάρια διαχείρισης των φερτών υλών στον ταμιευτήρα της Πλατανόβρυσης, ενώ έγινε εκτίμηση του πιο αποτελεσματικού και συνεπούς μήνα προς έκπλυση ή μηχανική απομάκρυνση και υπολογίστηκε η μέγιστη μεταφερόμενη ποσότητα του υλικού απομάκρυνσης. Πραγματοποιήθηκε, τέλος, σύγκριση των δύο παραπάνω μεθόδων, καταγράφοντας τις μέγιστες ποσότητες φερτών υλών στην έξοδο των Τοξοτών, που αποδίδονται αν εφαρμοστεί κάθε μέθοδος το βέλτιστο γι’ αυτή μήνα. Από τη σύγκριση των δύο προτεινόμενων μεθόδων διακρίνεται μια μικρή υπεροχή της μεθόδου της υδραυλικής έκπλυσης.Τα συνολικά ευρήματα και συμπεράσματα που απορρέουν από την παρούσα διδακτορική διατριβή, συμβάλλουν σημαντικά στη γενικότερη κατανόηση της άμεσης επίδρασης της κατασκευής φραγμάτων στην παράκτια διάβρωση. Ειδικότερα, η παρούσα διδακτορική διατριβή αποτελεί μια από τις πρώτες προσπάθειες ποσοτικοποίησης της διατάραξης του ισοζυγίου φερτών υλών στο δέλτα του ποταμού Νέστου και στις παρακείμενες ακτές λόγω της κατασκευής και λειτουργίας των φραγμάτων του Θησαυρού και της Πλατανόβρυσης. Επιπλέον, για πρώτη φορά πραγματοποιείται μια προσπάθεια αποτίμησης των βέλτιστων χρονικών περιόδων και μεθόδων διαχείρισης φερτών υλών, αποσκοπώντας στην αύξηση του ετήσιου στερεοφορτίου που φτάνει στην έξοδο της λεκάνης απορροής του ποταμού Νέστου, και κατά συνέπεια στη μείωση της διάβρωσης στο δέλτα του ποταμού καθώς και στις παρακείμενες ακτογραμμές. Τέλος, είναι εμφανές ότι η συνολική ερευνητική μεθοδολογία που εφαρμόστηκε στην παρούσα διδακτορική διατριβή μπορεί να αποτελέσει ένα σημαντικό και χρήσιμο εργαλείο για την περαιτέρω διερεύνηση της επίπτωσης της κατασκευής των φραγμάτων στην παράκτια διάβρωση και σε άλλες πιλοτικές περιοχές εφαρμογής