Διερεύνηση της κατανομής δυνητικά τοξικών στοιχείων στα ιζήματα ρεμάτων των περιοχών της Δυτικής Αττικής εξαιτίας φυσικών καταστροφών. Η περίπτωση της δασικής πυρκαγιάς της Κινέτας (23ης Ιουλίου 2018) και του πλημμυρικού φαινομένου της Νέας Περάμου (17ης Νοεμβρίου 2017)
Investigation of the distribution of potentially toxic elements in stream sediments of Western Attica due to natural disasters. The case of the forest fire of Kineta area (23th July 2018) and the flooding of Nea Peramos area (17th November 2017)
Keywords
Πλημμύρες ; Φυσικές καταστροφές ; Πυρκαγιές ; Ιζήματα ρεμάτων ; Νέα Πέραμος ; ΚινέταAbstract
Η παρούσα ερευνητική εργασία έχει ως στόχο να διερευνήσει την ποιότητα των ιζημάτων των ρεμάτων της περιοχής της Κινέτας ύστερα από την δασική πυρκαγιά της 23ης Ιουλίου 2018 και της περιοχής της Νέας Περάμου μετά από την καταστροφική πλημμύρα της 15ης Νοεμβρίου 2017 και να αξιολογήσει τις πηγές ρύπανσης ιχνοστοιχείων στις δύο περιοχές.
Στο κεφάλαιο 1 παρουσιάζονται εισαγωγικά στοιχεία σχετικά με την προέλευση και τις διεργασίες δημιουργίας των ιζημάτων καθώς και την κατάταξή τους ανάλογα με τον τρόπο σχηματισμού τους. Ακολούθως, γίνεται αναφορά στα ρέματακαι στα ιζήματα που αποτίθενται σε αυτά ενώ επισημαίνεται συνοπτικά η επίδραση των ιζημάτων στα ποτάμια συστήματα.
Στο κεφάλαιο 2 γίνεται λόγος για τη ρύπανση των ιζημάτων από ιχνοστοιχεία. Πιο συγκεκριμένα, παρουσιάζονται οι παράγοντες και οι διεργασίες που ελέγχουν τη σύνθεση και τις συγκεντρώσεις των μετάλλων των ιζημάτων ρεμάτων, οι τρόποι χημικής σύνδεσης των μετάλλων στα ιζήματα καθώς και όρια ποιότητας των ιζημάτων για διάφορα μέταλλα σύμφωνα με κριτήρια ποιότητας ιζημάτων.
Στο κεφάλαιο 3 αναφέρεται η ρύπανση των ιζημάτων των ρεμάτων λόγω των φαινομένων των πυρκαγιών και των πλημμύρων. Αρχικά, γίνεται λόγος για το φαινόμενο των πυρκαγιών και τις επιπτώσεις του (οικονομικές, κοινωνικές, περιβαλλοντικές) και ακολούθως αναφέρεται η επίδραση των πυρκαγιών στα ιζήματα των ρεμάτων. Στη συνέχεια, περιγράφεται το φαινόμενο των πλημμύρων, οι επιπτώσεις τους, η επίδραση που έχουν στα ιζήματα των ρεμάτων καθώς και το νομοθετικό πλαίσιο για τις πλημμύρες (Οδηγία 2007/60/ΕΚ).
Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται το γεωλογικό υπόβαθρο των περιοχών της Κινέτας και της Νέας Περάμου καθώς και μια συνοπτική αναφορά στις καταστροφές που υπέστησαν οι δύο περιοχές εξαιτίας των φαινομένων της πυρκαγιάς και της πλημμύρας.
Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται η διαδικασία που ακολουθήθηκε για τη συλλογή των δειγμάτων από τα ρέματα της Κινέτας και της Νέας Περάμου και η απεικόνιση των σημείων δειγματοληψίας σε χάρτες οι οποίοι παρουσιάζουν την έκταση της καταστροφής και το γεωλογικό υπόβαθρο για κάθε περιοχή. Από όλα τα σημεία δειγματοληψίας συλλέχθηκαν κατά κύριο λόγο δείγματα ιζημάτων. Ωστόσο, σε ορισμένα σημεία της περιοχής της Κινέτας, πραγματοποιήθηκε συλλογή τόσο ιζημάτων όσο και τέφρας. Ακολούθως, περιγράφεται η διαδικασία προεπεξεργασίας των δειγμάτων πριν από την εργαστηριακή επεξεργασία τους. Επίσης, αναφέρονται οι μεθοδολογίες που ακολουθήθηκαν για τον προσδιορισμό της μηχανικής σύστασης, των φυσικοχημικών παραμέτρων (pH, ικανότητα ανταλλαγής κατιόντων και οργανική ουσία) και του διαθέσιμου κλάσματος των ιχνοστοιχείων (CuDTPA, FeDTPA, MnDTPA, ZnDTPA) των ιζημάτων ρεμάτων. Επιπλέον, παρουσιάζεται συνοπτικά η μέθοδος προσδιορισμού των συνολικών συγκεντρώσεων των ιχνοστοιχείων και θρεπτικών (Ag, Al, As, Be, Bi,Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, Hg,K, La, Mg, Mn,Ni, P, S, Sb, Sc,Sr, Th, Ti, Tl, U, V, W και Zn) της τέφρας που είχε αποτεθεί λόγω της δασικής πυρκαγιάς στην περιοχή της Κινέτας.
Στο κεφάλαιο 6 παρουσιάζονται και αναλύονται τα αποτελέσματα των εργαστηριακών ελέγχων στους οποίους υποβλήθηκαν τα ιζήματα των ρεμάτων των περιοχών της Κινέτας και της Νέας Περάμου και η αποτιθέμενη τέφρα. Πιο συγκεκριμένα, αναφέρεται η στατιστική ανάλυση (μονοπαραγοντική ανάλυση, ανάλυση με δύο μεταβλητές και πολυμεταβλητή ανάλυση) των παραμέτρων που προσδιορίστηκαν για τα ιζήματα των ρεμάτων των δύο περιοχών που είναι το pH, η οργανική ουσία, η ικανότητα ανταλλαγής κατιόντων και τα τέσσερα ιχνοστοιχεία (CuDTPA, FeDTPA, MnDTPA, ZnDTPA). Ο παράγοντας ρύπανσης (Contamination Factor, CF) που υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την μονοπαραγοντική ανάλυση έδειξε μέτρια ρύπανση (1<CF<3) ως προς τον FeDTPA, το MnDTPAκαι τον ZnDTPA για την περιοχή της Κινέτας διότι οι τιμές του αντιστοιχούν σε 1.37, 1.78 και 1.15 αντίστοιχα ενώ αποκάλυψε σημαντική ρύπανση για τον CuDTPA και μέτρια ρύπανση για τον ZnDTPA για την περιοχή της Νέας Περάμου με τιμές που ανέρχονται σε 4.56 και 1.53 αντίστοιχα. Επίσης, η ανάλυση με δύο μεταβλητές και η πολυμεταβλητή ανάλυση έδειξαν μια πολύ ισχυρή συσχέτιση μεταξύ της οργανικής ουσίας, της ικανότητας ανταλλαγής κατιόντων και των δύο στοιχείων (FeDTPA, MnDTPA) αλλά και μια ισχυρή συσχέτιση μεταξύ του CuDTPA και του ZnDTPA. Επιπλέον, η απεικόνιση των βαθμών ανά παράγοντα (factor scores) που υπολογίστηκαν κατά την πολυμεταβλητή ανάλυση σε χάρτες έδειξε ότι, με βάση τους υψηλούς θετικούς βαθμούς ανά παράγοντα, η ρύπανση των ιζημάτων των ρεμάτων της Κινέτας ως προς τον CuDTPA και τον ZnDTPA οφείλεται αποκλειστικά στην πυρκαγιά ενώ η ρύπανση ως προς το FeDTPA και το MnDTPA οφείλεται τόσο στην πυρκαγιά όσο και στα γεωγενή χαρακτηριστικά της περιοχής όπως είναι η παρουσία των οξειδίων Fe-Mn. Αντίστοιχα, στην περιοχή της Νέας Περάμου,τα υψηλά θετικά φορτία του παράγοντα 2 έδειξαν ότι, η ρύπανση των ιζημάτων ως προς τον CuDTPA και τον ZnDTPA οφείλεται τόσο στο φαινόμενο της πλημμύρας όσο και στα γεωγενή χαρακτηριστικά της περιοχής ενώ από τα χαμηλά φορτία του παράγοντα 1, επιβεβαιώνεται η χαμηλή ρύπανση των ιζημάτων ως προς FeDTPA και MnDTPA η οποία μπορεί να οφείλεται στην έλλειψη των οξειδίων Fe-Mn. Επιπροσθέτως, τα αποτελέσματα από την ανάλυση τέφρας έδειξαν υψηλές συγκεντρώσεις σε εννέα ιχνοστοιχεία (Sr, Ni, Cr, Co, Cu, Fe, Mn, Zn, Sb) και τρία θρεπτικά (Ca, Mg, P) οι οποίες ξεπερνούν τη μέση σύσταση ιζήματος ρέματος καθώς και τα όρια που θέτονται από τα κριτήρια ποιότητας ιζήματος γεγονός που σημαίνει ότι τα δείγματα τέφρας παρουσιάζουν σημαντική ρύπανση ως προς τα ανωτέρω ιχνοστοιχεία.
Τέλος, στο κεφάλαιο 7 παρουσιάζονται τα βασικότερα συμπεράσματα της έρευνας.
Abstract
The scope of this dissertation is to evaluate the contamination of stream sediments of the Kineta wildfire impacted area and the Nea Peramos area after the destructive flood of 15thNovember 2017 and to investigate the trace element contamination sources in the areas.
The first chapter presents an introduction about the origin and the formation processes of sediments as well as their classification depending on how they are formed.Then, streams and the sediments which are deposited in them are reported while a summary description of the sediments effect on the fluvial systems become.
The second chapter refers to the trace metals contamination in sediments. Accurately, the factors and processes which control the elements composition and concentrations in the stream sediments, the metals chemical bonding on the sediments surface as well as the sediments quality limits for various metals according to sediments quality guides are described.
The third chapter reports the stream sediments contamination due to wildfires and floods. Initially, the economic, social and environmental impacts of wildfire are presented and then, their effect on the stream sediments is reported. Consequently, the effects of floods on the stream sediments and legislative framework (Directive 2007/60/EC) for floods are described.
The fourth chapter presents the geological background of the Kineta and Nea Peramos areas as well as a brief account to the disasters which underwent the two areas due to the wildfire and flood.
The fifth chapter includes the procedure which is followed for the samples collected from the Kineta and Nea Peramos streams and the visualization of the sampling points on maps which show the extent of the disaster and the geological background for each area. From all sampling points, stream sediment samples were collected. However, in some parts of the Kineta area, both sediments and ash were sampled. Then, the pretreatment procedure of the samples and the methodologies which are followed for the determination of the mechanical composition, the physicochemical parameters (pH, organic matter and Cation Exchange Capacity (CEC)) and the available fraction of trace elements (CuDTPA, FeDTPA, MnDTPA and ZnDTPA) of the stream sediments are evaluated. Moreover, the method that is carried out for the determination of total concentrations of trace elements and nutrients (Ag, Al, As, Be, Bi, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, Hg, K, La, Mg, Mn, Ni, P, S, Sb, Sc, Sr, Th, Ti, Tl, U, V, W and Zn) in ash samples which has been deposited due to wildfire in the Kineta area are briefly presented.
The sixth chapter records and analyses the results of the laboratory controls of the stream sediments and ash. Specifically, the statistical analysis (univariate, bivariate and multivariate) of seven parameters (pH, organic matter, CEC, CuDTPA, FeDTPA, MnDTPA, and ZnDTPA) is reported. The contamination factor (CF) which is calculated by using the results were produced by univariate statistical analysis showed moderate contamination for the elements FeDTPA, MnDTPA and ZnDTPA in the Kineta area because its values correspond to 1.37, 1.78 and 1.15 respectively while it is revealed significant contamination for CuDTPA and moderate contamination for ZnDTPA in the Nea Peramos area with values which are come up to 4.56 and 1.53 respectively. Also, bivariate and multivariate statistical analysis indicated a very strong correlation between CEC, organic matter, FeDTPA and MnDTPA as well as a strong correlation between CuDTPA and ZnDTPA. Moreover, the visualization of factor scores which are calculated during multivariate statistical analysis on maps shows that, according to the high positive factor scores, the stream sediments contamination in the Kineta area for the elements CuDTPA and ZnDTPA are attributed to the wildfire while the contamination for FeDTPA and MnDTPA is due to both the wildfire and the geogenic characteristics of the area such as the mineralization of Fe-Mn oxides. Accordingly, in the Nea Peramos area, the high positive factor scores of factor 2 showed that, the stream sediments contamination for CuDTPA and ZnDTPA is the result both of flood and of geogenic characteristics of the area while from the low factor scores of factor 1, the low stream sediments contamination for FeDTPA and MnDTPA that is due to the lack of mineralization of Fe-Mn oxides is confirmed. Furthermore, the results which are eventuated by the laboratory control of ash indicated high concentrations to nine metals (Sr, Ni, Cr, Co, Cu, Fe, Mn, Zn, Sb) and three nutrients (Ca, Mg, P) which exceed the concentrations of a mean stream sediment as well as the sediment quality limits defined by sediment quality guides. It means that ash samples present significant trace elements contamination.
Finally, the seventh chapter presents the conclusions of this study.
Number of pages
152Post-graduate Program
Εφαρμοσμένες Πολιτικές και Τεχνικές Προστασίας ΠεριβάλλοντοςLanguage
Greek
Except where otherwise noted, this item's license is described as
Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα
Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα