Ανάπτυξη μεθοδολογικού πλαισίου με χρήση μαθηματικών μοντέλων προσομοίωσης για τη διερεύνηση της λειτουργίας παράκτιων υδροφόρων συστημάτων: εφαρμογή στον υδροφορέα των Ν. Μουδανιών

Abstract

In the present dissertation the investigation of the operation of coastal aquifer systems, which are characterized by overexploitation conditions as well as by seawater intrusion and intense nitrate contamination, is attempted through the application of mathematical simulation models and in light of the absence of sufficient data relating both to the conceptual model of the aquifers and the variables of the problem under study. The methodological framework which is developed consists of the formation of a series of mathematical models through the use of the widely applied codes MODFLOW (groundwater flow simulation), MT3DMS (solute mass transport simulation) and SEAWAT (variable density flow simulation). The sequence and the connection between these models constitute an integral and fundamental part of the whole procedure. The development of these models aims to the proper adjustment of various aquifer parameters, particularly those with high uncertainty and a significant lack of data and measurements (e.g. hydraulic-hydrodynamic aquifer parameters), as well as to the most representative determination of the initial conditions regarding the seawater intrusion problem, a procedure which by its nature involves considerable difficulties and is hindered greatly due to the absence of data. The successful implementation of the proposed methodology has as direct results the satisfactory simulation of the physical processes of groundwater flow, seawater intrusion and nitrate transport, the accurate projection in time of both hydraulic head and nitrate concentrations distribution, as well as the expansion of seawater front, and finally the successful assessment of different management scenarios aimed at increasing the quantity and improving the quality of the available water resources. The pilot implementation of the proposed methodology is performed in the aquifer of N. Moudania in Chalkidiki peninsula (Northern Greece), which is characterized by intense quantitative and qualitative problems that are directly linked to the intensification of agricultural activities in the region, something which is translated into intensive exploitation of groundwater resources and excessive usage of artificial fertilizers. In the former case, both increased drawdown and seawater intrusion are produced, while the later one results to the appearance of elevated nitrate concentrations.

Με την εκπόνηση της παρούσας διδακτορικής διατριβής επιχειρείται η διερεύνηση της λειτουργίας παράκτιων υδροφόρων συστημάτων που υπόκεινται σε καθεστώς υπερεκμετάλλευσης και στα οποία παρατηρείται αφενός διείσδυση θαλασσινού νερού και αφετέρου έντονη ρύπανση από νιτρικά, μέσω της εφαρμογής μαθηματικών μοντέλων προσομοίωσης και υπό το πρίσμα της έλλειψης επαρκών δεδομένων, που σχετίζονται τόσο με το εννοιολογικό μοντέλο των υδροφορέων όσο και με τις μεταβλητές του υπό μελέτη προβλήματος. Η μεθοδολογία που αναπτύσσεται συνίσταται στη διαμόρφωση μιας σειράς μαθηματικών μοντέλων μέσω της χρήσης των ευρέως χρησιμοποιούμενων κωδίκων MODFLOW (προσομοίωση υπόγειας ροής), MT3DMS (προσομοίωση μεταφοράς διαλυμένης μάζας) και SEAWAT (προσομοίωση ροής μεταβλητής πυκνότητας), η αλληλουχία καθώς και η σύνδεση μεταξύ των οποίων αποτελούν αναπόσπαστο τμήμα της όλης διαδικασίας. Η κατάρτιση των συγκεκριμένων μοντέλων αποβλέπει αφενός στην προσαρμογή των επιμέρους παραμέτρων των υδροφόρων συστημάτων και ειδικότερα εκείνων που χαρακτηρίζονται από υψηλό βαθμό αβεβαιότητας καθώς και από σημαντική έλλειψη δεδομένων και μετρήσεων (π.χ. υδραυλικές-υδροδυναμικές παράμετροι υδροφορέων) και αφετέρου στον όσο το δυνατόν πιο αντιπροσωπευτικό καθορισμό των αρχικών συνθηκών του προβλήματος της θαλάσσιας διείσδυσης, μία διαδικασία που από τη φύση της ενέχει σημαντικές δυσκολίες και η οποία δυσχεραίνεται σε μεγάλο βαθμό ελλείψει δεδομένων. Άμεση απόρροια της επιτυχούς εφαρμογής της προτεινόμενης μεθοδολογίας αποτελούν η ικανοποιητική προσομοίωση των φυσικών διεργασιών της υπόγειας ροής, της θαλάσσιας διείσδυσης και της μεταφοράς των νιτρικών, η εύστοχη πρόβλεψη αφενός της κατανομής του υδραυλικού φορτίου και της συγκέντρωσης των νιτρικών και αφετέρου της επέκτασης του θαλάσσιου μετώπου, καθώς και η επιτυχημένη αξιολόγηση διαφόρων διαχειριστικών σεναρίων που αποβλέπουν στην αύξηση της ποσότητας και στη βελτίωση της ποιότητας των διαθέσιμων υδατικών αποθεμάτων. Τέλος, αναφέρεται ότι η πιλοτική εφαρμογή της προτεινόμενης μεθοδολογίας πραγματοποιείται στον παράκτιο υδροφορέα των Ν. Μουδανιών Χαλκιδικής, μία περίπτωση υδροφορέα που χαρακτηρίζεται από έντονα ποσοτικά και ποιοτικά προβλήματα, τα οποία είναι άμεσα συνυφασμένα με την εντατικοποίηση των αγροτικών δραστηριοτήτων στην περιοχή, η οποία με τη σειρά της οδηγεί στην εντατική εκμετάλλευση των υπόγειων υδατικών αποθεμάτων και στην αλόγιστη χρήση των τεχνητών λιπασμάτων. Στην πρώτη περίπτωση, άμεση απόρροια αποτελεί τόσο η πτώση του υδραυλικού φορτίου όσο και η διείσδυση θαλασσινού νερού στο εσωτερικό της ενδοχώρας, ενώ στη δεύτερη η εμφάνιση αυξημένων συγκεντρώσεων νιτρικών ιόντων.