Διαχείριση υπόγειων υδατικών πόρων σε συνθήκες αβεβαιότητας: η αξία της πληροφορίας σε περιβαλλοντικά υποβαθμισμένους υδροφορείς

Abstract

In this study an innovative decision framework is presented for the optimum and sustainable management of an over-exploited aquifer, under uncertain conditions. This framework is a modelling system of specifically designed and combined models and which use information from the stochastic analysis, the water resources simulation and the groundwater management. The models that are incorporated and combined – through their data exchange – are six, with four of them being simulation models. Initially, the modeling system was used for the simulation of Lake Karla watershed aquifer’s present situation. Historical data series were used and the results confirm the over-exploitation status of the aquifer and the impressive drop of the water table. The heterogeinity of hydraulic conductivity though and the lack of data, create an uncertain hydrogeological environment. The K parameter uncertainty is assessed through the use of stochastic simulation and more specifically through geostatistical methods. Since the quantitative status of aquifer and the hydraulic conductivity uncertainty are assessed, a conceptual framework of reservoir restoration is developed. Lake Karla recreation project, which is the most important environmental project in Balkans, plays critical role to this restoration. The management plan of this project involves the supply of a great part of irrigation water needs from the surface water of the new reservoir, making the proposed strategy absolutely realistic and applicable. Other simulation models of the watershed water resources are incorporated in the system, fulfilling the European legislation terms for the integrated water management at the watershed scale. Aquifer’s restoration is based on the optimal management of its renewal resources, under uncertainty. Thus, all possible and alternative management strategies can be presented properly, including the relevant risks. The strategy that will be selected eventually will generate the optimum results taking into account all the parameters of the complex problem. In the present study, the goal of the groundwater management problem is not only the aquifer’s water table restoration, but also the optimal allowable groundwater volume that will be extracted for irrigation need. Since, in a first place, the environmental requirement of future aquifer’s restoration is satisfied, then the optimal use of the remaining renewable resources can be assessed. Nevertheless, to confirm the parametric uncertainty, which leads to an important financial uncertainty, a new methodology is employed. The methodology results to the definition of the optimal hydraulic conductivity sample values, which will lead to the parameter uncertainty decrease and finally to the financial cost decrease, one, creating a more clear picture for the administrator.

Στην παρούσα διατριβή προτείνεται και εφαρμόζεται επιτυχώς ένα καινοτόμο εργαλείο απόφασης για τη βέλτιστη και ταυτόχρονα βιώσιμη διαχείριση ενός υπόγειου υδροφορέα που βρίσκεται σε κατάσταση εντατικής εκμετάλλευσης, σε συνθήκες υδρογεωλογικής αβεβαιότητας. Απαρτίζεται από ειδικά συνδυασμένα μοντέλα. Για τη λειτουργία του συστήματος αυτού χρησιμοποιούνται και συνδυάζονται στοιχεία από την στοχαστική ανάλυση, την προσομοίωση των υδατικών συστημάτων και τη διαχείριση των υπόγειων υδατικών πόρων. Το υπόψη σύστημα χρησιμοποιείται αρχικά για την αποτύπωση της υφιστάμενης κατάστασης του υπόγειου κοκκώδη υδροφορέα της λεκάνης απορροής της λίμνης Κάρλας, από ποσοτικής πλευράς. Εξαιτίας, όμως, της χωρικής μεταβλητότητας της υδραυλικής αγωγιμότητας και της έλλειψης επαρκών δειγματοληπτικών τιμών της, η εκτίμηση της ποσοτικής κατάστασης του υπόγειου υδροφορέα εμπεριέχει αβεβαιότητα. Η αβεβαιότητα αυτή αποτιμάται με τη χρήση της στοχαστικής προσομοίωσης και ειδικότερα με τη χρήση γεωστατιστικών μεθόδων. Αφού λοιπόν εκτιμηθούν η κατάσταση του υδατικού δυναμικού του υπόγειου υδροφορέα ποσοτικά και αποτιμηθεί η αβεβαιότητα της υδραυλικής αγωγιμότητας, τίθεται σε εφαρμογή ένα μεθοδολογικό πλαίσιο αποκατάστασης του υπόγειου υδροφορέα, σε μελλοντική περίοδο.. Η ποσοτική αποκατάσταση του υπόγειου υδροφορέα βασίζεται στη βέλτιστη διαχείριση των ανανεώσιμων αποθεμάτων του, πάλι όμως σε συνθήκες αβεβαιότητας μιας και για τη λήψη της ορθής απόφασης θα πρέπει να απεικονίζονται ξεκάθαρα όλες οι πιθανές λύσεις, αλλά και η επικινδυνότητα (ρίσκο) που η καθεμία από αυτές εμπεριέχει. Με τον τρόπο αυτό η στρατηγική διαχείρισης, που τελικά θα επιλεγεί, θα αποφέρει τα βέλτιστα αποτελέσματα έχοντας συμπεριλάβει όλες τις παραμέτρους του πολύπλοκου προβλήματος. Η διαχείριση του υδροφορέα στοχεύει όχι μόνο στην ανύψωση του υδροφόρου ορίζοντα και την αποκατάστασή του, αλλά και στον υπολογισμό ταυτόχρονα του βέλτιστου επιτρεπόμενου αντλούμενου υδατικού όγκου για άρδευση. Αφού λοιπόν, σε πρώτη φάση εξασφαλιστεί η περιβαλλοντική απαίτηση της αποκατάστασης του υπόγειου υδροφορέα σε βάθος δεδομένου χρόνου, δεσμεύοντας ένα σημαντικό ποσοστό των ανανεώσιμων αποθεμάτων του, στη συνέχεια εκτιμάται η βέλτιστη χρήση των υπόλοιπων υδατικών διαθέσιμων για την κάλυψη των αρδευτικών αναγκών, με στόχο τη μεγιστοποίηση του κέρδους του διαχειριστή. Η παραμετρική αβεβαιότητα οδηγεί σε σημαντική οικονομική αβεβαιότητα στα αποτελέσματα της διαχείρισης, δημιουργώντας συνθήκες επικινδυνότητας στη λήψη οποιασδήποτε στρατηγικής αποκατάστασης. Προτείνεται μία νέα μεθοδολογία για τον υπολογισμό του βέλτιστου πλήθους των μετρήσεων της παραμέτρου στο πεδίο, που θα οδηγήσει στη μείωση της παραμετρικής αβεβαιότητας και εν τέλει και της οικονομικής, δίνοντας στον διαχειριστή μία πιο ξεκάθαρη εικόνα για τη λήψη της διαχειριστικής στρατηγικής που θα ακολουθήσει.