Μελέτη θεμάτων διαχείρισης παράκτιων υδροφορέων με αριθμητικά μοντέλα

Abstract

In the present study coastal aquifer management issues are investigated. These issuesconcern measures which ensure the sustainability of the coastal groundwater and particularly:(a) protective measures against the degradation of groundwater caused by saltwater intrusionand human activities and (b) measures allowing the availability of sufficient volumes of freshgroundwater during periods of high demand. The investigation is based on the application oftwo numerical codes, which are suitable for simulating the groundwater flow under theinfluence of density differences. The investigation procedure is as follows.The application of the equations of groundwater flow with density differences andtransport, the limitations and the advantages are presented for two widely used numericalmodels, the SEAWAT-2000 code (Langevin et al., 2003) and the SUTRA v.2.2 code (Voss &Provost, 2010). Based on the analysis above and on the experience acquired through theparallel use of the two codes, basic criteria are derived that allow for the selection of the codethat best suits the needs of a certain problem.The investigation focuses on the Glafkos coastal aquifer, which is located at northPeloponnese (Greece), south of the city of Patras and is an important source of freshwater forthe region. For this aquifer the SEAWAT-2000 code is implemented and calibrated. Themodel calibration is based on groundwater level time series that were registered by a relativelydense monitoring network, whose operation time, however, is limited. The network of themonitoring wells was constructed during 2007-2008 in cooperation of the HydraulicEngineering Laboratory (Department of Civil Engineering, University of Patras) and theMunicipal Enterprise of Water Supply and Sewage of Patras (DEYAP), in the frame of theproject INTERREG IIIA GREECE-ITALY. The calibration procedure is based on: (a) Theapplication of a G.I.S. system to organize, combine, analyse and evaluate the availableinformation. (b) The application of hydraulic and statistical methods combined with themodification and application of pumping tests simulation methods, for the estimation of thehydraulic parameters of the coastal aquifer. (c) The combined analysis of hydrological dataand groundwater level time series for the estimation of the aquifers water budget components.(d) The establishment of appropriate criteria for the evaluation of simulation results. (e) Theempirical calibration of the model which is performed for two periods, i.e. the period 2008-2010 and the period 2010-2012. This procedure is due to the availability of the groundwaterlevel time series which were registered parallel to the model calibration. (f) The application ofthe Monte-Carlo method in order to investigate the probability that different combinations ofmodel parameters give similar or better simulation results. The model calibration led to abetter understanding of the aquifers recharge mechanisms which is crucial for the developmentof a groundwater management policy and the implementation of a management plan.The calibrated groundwater model of the Glafkos coastal aquifer is used for theinvestigation and evaluation of coastal aquifer management applications: (a) The capture zonesof the municipal production wells are delineated by applying the MODPATH v3 code(Pollock, 1994). It is found out that the production wells that are located close to the GlafkosRiver, as it is the fact for the majority of the municipal production wells, pump water thatoriginates almost exclusively from the river. Consequently, polluted water from the river or polluting human activities close to the riverbank can affect the quality of the pumped water.(b) The saltwater intrusion risk is estimated, in case of a prolonged drought period. Two casesare investigated; the first considers the current pumping rates of groundwater while the secondconsiders a 50% increased pumping. It is found out that a four-year drought period combinedwith an increase of the groundwater exploitation will lead to significant saltwater intrusionproblems. (c) The applicability and effectiveness of in-channel artificial recharge with the useof rubber dams, as a countermeasure against the saltwater intrusion, which may be induced bya four-year drought period, is investigated. It is found that the method is applicable andeffectively reduces the intrusion of saltwater. Further it increases the groundwater storage inthe aquifer.Finally, the construction of a cutoff wall which covers only a small part of the aquiferswidth, is evaluated as a countermeasure to saltwater intrusion problems which may arise inGlafkos coastal aquifer. Due to the fact that existing studies on the technique of the subsurfacebarriers focus only on the influence of the geometrical characteristics of barriers covering thewhole width of the aquifer, a systematic investigation is curried out on the functionalrelationship between the effectiveness of the barriers and all the parameters influencing it, i.e.the geometrical characteristics of the barriers, the aquifer parameters (the hydraulicconductivity, anisotropy, hydromechanical dispersion, groundwater flow towards the sea) andthe pumping rate. The investigation is curried out by the use of the finite element code SUTRAv.2.2 and concerns two types of barriers; the subsurface dams and the cutoff walls. The resultsinclude graphs and functional relationships for the assessment of the effect of subsurface damsand cutoff walls and the design of such structures. The results are presented in terms ofdimensionless variables, with ranges suitable for field applications. Based on these results, acutoff wall of small width is designed for the Glafkos coastal aquifer. Its effectiveness isevaluated by applying the calibrated SEAWAT-model of the coastal aquifer. It is shown thatthe cutoff wall not only reduces the saltwater intrusion during drought periods, but also itreduces the retreat time of the saltwater front under normal hydrological conditions.

Διερευνώνται επιμέρους θέματα διαχείρισης παράκτιων υδροφορέων που αφορούν στηνδιασφάλιση της αειφορίας των υπόγειων αποθεμάτων μέσω (α) της προστασία τους έναντιστην υποβάθμιση της ποιότητάς τους που μπορεί να προέλθει από τη διείσδυση τουθαλασσινού νερού και από ανθρωπογενείς δραστηριότητες και (β) της διασφάλισης τηςκάλυψης των αναγκών σε υπόγειο νερό κατά τις περιόδους αυξημένης ζήτησης. Η διερεύνησηβασίζεται στη χρήση δύο αριθμητικών μοντέλων υπόγειας ροής που λαμβάνουν υπόψη τιςδιαφορές πυκνότητας μεταξύ γλυκού και αλμυρού νερού και περιλαμβάνει τα ακόλουθα:Παρουσιάζεται ο τρόπος με τον οποίο διατυπώνονται και επιλύονται οι εξισώσεις πουπεριγράφουν την υπόγεια ροή υπό την επιρροή διαφορών πυκνότητας σε δύο ευρέωςχρησιμοποιούμενα αριθμητικά μοντέλα, που είναι το μοντέλο SEAWAT-2000 (Langevin etal., 2003) και το μοντέλο SUTRA v2.2 (Voss & Provost, 2010). Βάσει των ανωτέρω και τηςεμπειρίας που αποκτήθηκε από την παράλληλη εφαρμογή τους, οι δύο κώδικες αξιολογούνταισυγκριτικά και διατυπώνονται κριτήρια, στα οποία μπορεί να βασιστεί η επιλογή του κατάπερίπτωση προσφορότερου κώδικα.Γίνεται η ρύθμιση αριθμητικού μοντέλου, το οποίο είναι βασισμένο στον κώδικαSEAWAT-2000, για τον παράκτιο υδροφορέα του Γλαύκου π., ο οποίος βρίσκεται στα νότιατης πόλης των Πατρών και αποτελεί σημαντικό υδατικό πόρο για την περιοχή. Η ρύθμιση τουμοντέλου βασίζεται σε μετρήσεις της υπόγειας στάθμης που προέρχονται από ένα σχετικάπυκνό δίκτυο γεωτρήσεων παρατήρησης το οποίο όμως έχει χρονικά περιορισμένη διάρκειαλειτουργίας. Το δίκτυο κατασκευάστηκε στα πλαίσια του προγράμματος INTERREG Ελλάδα– Ιταλία, 2000 – 2006, σε συνεργασία του Εργαστηρίου Υδραυλικής Μηχανικής τουΠανεπιστημίου Πατρών και της Δημοτικής Επιχείρησης Ύδρευσης και Αποχέτευσης τηςΠάτρας (Δ.Ε.Υ.Α.Π.) και ολοκληρώθηκε στα μέσα του 2008. Η διαδικασία ρύθμισης τουμοντέλου περιλαμβάνει τα εξής: (α) Τη συστηματική οργάνωση, συνδυασμό και αξιολόγησητων διαθέσιμων πληροφοριών σε λογισμικό συστημάτων γεωγραφικών πληροφοριών. (β) Τηνεφαρμογή υδραυλικών και στατιστικών μεθόδων σε συνδυασμό με την τροποποίηση καιεφαρμογή μεθόδων αριθμητικής προσομοίωσης αντλητικών δοκιμών για τον προσδιορισμότων υδραυλικών χαρακτηριστικών του υδροφορέα. (γ) Τη συνδυαστική ανάλυση υδρολογικώνδεδομένων και χρονοσειρών της υπόγειας στάθμης για την εκτίμηση των συνιστωσών τουυδρολογικού ισοζυγίου. (δ) Τον καθορισμό κατάλληλων κριτηρίων αξιολόγησης τωνπροσομοιώσεων. (ε) Την εμπειρική ρύθμιση των παραμέτρων του μοντέλου, η οποία επειδήέγινε παράλληλα με την συλλογή των μετρήσεων της υπόγειας στάθμης πραγματοποιήθηκεγια δύο περιόδους, κατ’ αρχήν για την περίοδο 2008-2010 και εν συνεχεία για την περίοδο2010-2012 και (στ) την εκτέλεση προσομοιώσεων Monte Carlo για την πραγματοποίησηκαθολικής ανάλυσης ευαισθησίας (global sensitivity analysis, βλ. Saltelli et al., 2004) και τηδιερεύνηση ύπαρξης περισσοτέρων συνδυασμών των τιμών των παραμέτρων του μοντέλουπου οδηγούν σε παρόμοια αποτελέσματα (equifinality thesis, Beven, 2006). Από τη ρύθμισητου μοντέλου με τη βοήθεια των μετρήσεων της υπόγειας στάθμης που συλλέχτηκαν με τοδίκτυο παρατήρησης προέκυψαν πληροφορίες για τους μηχανισμούς εμπλουτισμού τουυδροφορέα στις διάφορες περιοχές, κάτι που είναι σημαντικό για τη διαχείρισή του.Το ρυθμισμένο μοντέλο του παράκτιου υδροφορέα του Γλαύκου χρησιμοποιήθηκε γιατην εξέταση θεμάτων διαχείρισης του υδροφορέα: (α) Προσδιορίστηκαν οι ζώνεςτροφοδοσίας των γεωτρήσεων της ΔΕΥΑΠ με χρήση του κώδικα MODPATH v3 (Pollock,1994) και εκτιμήθηκε η τρωτότητα αυτών των γεωτρήσεων. Διαπιστώθηκε ότι οι γεωτρήσειςπου βρίσκονται κοντά στην κοίτη του Γλαύκου, όπως συμβαίνει με πολλές από τις γεωτρήσειςτης ΔΕΥΑΠ, αντλούν σχεδόν αποκλειστικά νερό που προέρχεται από τον ποταμό. Έτσι είναιδυνατόν να προσβληθούν από ρυπάνσεις του νερού του ποταμού καθώς επίσης και απόανθρωπογενείς δραστηριότητες στις παρόχθιες ζώνες. (β) Εκτιμήθηκε ο κίνδυνος διείσδυσηςθαλασσινού νερού σε περίπτωση εμφάνισης περιόδων ξηρασίας, για δύο διαφορετικά σενάριααντλήσεων: ένα σύμφωνα με το σημερινό καθεστώς χρήσης του υπόγειου νερού και ένα γιατην αύξηση των αντλήσεων κατά 50%. Διαπιστώθηκε ότι για ξηρασία διάρκειας τεσσάρωνετών και αύξηση των αντλούμενων ποσοτήτων τα φαινόμενα υφαλμύρισης θα είναι έντονα.Με την επάνοδο όμως των μέσων υδρολογικών συνθηκών ο υδροφορέας ανακάμπτει. (γ) Γιασυνθήκες ξηρασίας εξετάστηκε η αποτελεσματικότητα του τεχνητού εμπλουτισμού για τονπεριορισμό της διείσδυσης του θαλασσινού νερού. Ως μέθοδος εμπλουτισμού εξετάστηκε ηεποχιακή αύξηση της στάθμης του νερού στον ποταμό με τη βοήθεια φουσκωτών φραγμάτων(βλ. Κωτσοβίνος, 1999). Διαπιστώθηκε ότι με τη μέθοδο αυτή μπορεί να επιτευχθεί σημαντικήαύξηση των υπόγειων αποθεμάτων.Τέλος, εξετάζεται ως μέτρο προστασίας έναντι της διείσδυσης του θαλασσινού νερούη τεχνική των υπόγειων φραγμών. Επειδή στις μελέτες της τεχνικής αυτής που έχουνπαρουσιαστεί στη βιβλιογραφία (π.χ. Luyun et al., 2011) έμφαση δίνεται μόνο στην επιρροήτων γεωμετρικών χαρακτηριστικών των φραγμών (απόσταση από την ακτή, βάθος φραγμού),έγινε στην παρούσα εργασία συστηματική διερεύνηση της συναρτησιακής σχέσης ανάμεσαστην αποτελεσματικότητα της μεθόδου και τα χαρακτηριστικά τόσο των φραγμών όσο και τουυδροφορέα (υδραυλική αγωγιμότητα, ανισοτροπία, υδρομηχανική διασπορά, παροχή γλυκούνερού προς τη θάλασσα, αντλήσεις στην παράκτια ζώνη, υλικό κατασκευής του φραγμού). Ηδιερεύνηση έγινε με τη βοήθεια του αριθμητικού μοντέλου SUTRA 2.2 (Voss and Provost,2010), για δύο τύπους υπόγειων φραγμών: τους διαφραγματικούς τοίχους και τα υπόγειαφράγματα. Δίδονται διαγράμματα και αναλυτικές σχέσεις με χρήση αδιάστατων μεταβλητώνκαι για εύρος τιμών των μεταβλητών αυτών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τηδιαστασιολόγηση φραγμών σε εφαρμογές πεδίου. Βάσει των αποτελεσμάτων που προκύπτουναπό τη διερεύνηση της προαναφερθείσας συναρτησιακής σχέσης και χρησιμοποιώντας και τομοντέλο του Γλαύκου, εξετάστηκε η αποτελεσματικότητα της κατασκευής ενός φραγμούπεριορισμένου μήκους στον υδροφορέα. Διαπιστώθηκε ότι πέραν του περιορισμού τηςδιείσδυσης αλμυρού νερού σε περιόδους ξηρασίας που επιτυγχάνεται, ο φραγμός επιταχύνειτην υποχώρηση της αλμυρής σφήνας όταν επανέλθουν οι συνήθεις υδρολογικές συνθήκες.