Περιβαλλοντική επιβάρυνση των υπόγειων νερών και εδαφών από φυσικούς και ανθρωπογενείς παράγοντες στη λεκάνη Φαρσάλων Θεσσαλίας

Abstract

This thesis investigates the geogenic and anthropogenic factors that influence the geochemical composition of soils and the groundwater quality in the Farsala Basin. The chemical composition of the two important environmental factors, soil, and water, is directly connected to geological structure, soil and subsoil lithology, the geochemical processes occurring within the layers during the diving and movement of water, and the use of soils and other human activities carried out on the surface. The research area occupies a part of the south side of the middle Thessaly ridge, the eastern terminus of the western Thessaly plain, and the northern part of Othrys Mountain, near to the city of Farsala. The research area distinguishes three different types of groundwater aquifers, (a) aquifers that develop in loose sediments of the basin, (b) karstic aquifers that develop in carbonate rocks, and (c) aquifers that develop within the fractured metamorphic and ophiolitic rocks. Groundwater flows towards E-NE following the flow direction of the main branch of the Enipeas River. Soils' geochemical characteristics of the area and groundwater quality of the aforementioned aquifers were investigated in this thesis. The purpose of this research is to investigate the geogenic and anthropogenic factors affecting the soil and groundwater quality of the Farsala Basin.Soil sampling from 45 sampling sites in total was collected covering mainly the lowland area. In soil samples dominate clay and a small percentage are clay loam and sandy clay loam. They are mostly alkaline (76%) (pH 4 to 8.5) and poor in organic matter due to intensive cultivation. The concentration of organic matter range from 0.7 to 6.1% with a mean value of 1.7%. The electrical conductivity shows values from 74 to 827µS/cm, with a mean value of 486µS/cm. Also, a total of 25 wells and 98 boreholes were sampled to investigate the groundwater quality characteristics. Most of the samples come from boreholes that exploit the aquifer of quaternary formations. Samples were also taken from boreholes and springs from the neogenic, carbonate, schist and ophiolite formations. Groundwater sampling was performed at the end of the wet and early dry season. Measurement of physicochemical parameters, temperature T, pH, EC electrical conductivity and dissolved oxygen (D.O.) was conducted in situ. Statistical analysis shows that in both groundwater and in the soils of the research area, loose and compact geological bedrock formations are the main feeders for chemical elements that contribute to the enrichment of soils and groundwater. Factor analysis of the residual phase of the Modified Tessier method reveals the highest contribution of schists and ophiolites to the high concentrations of heavy metals in soils and groundwater (Fe, Mn, Zn, Cd, Ni, Co, Cr, and Pb). 20% of the total variance in groundwater is explained by anthropogenic factors such as the application of fertilizers and agrochemicals in general in the area's crops. In the central, southern and northern parts of the research area, the area of Ampelia and Krini, respectively, thermal water is found with temperatures of 39,1oC and 26,2oC respectively. The observed geothermal anomaly in the area is related to the burglary characteristic of the Farsala Basin and apparently to the existence of a geothermal field that develops on the geological bedrock of the wider area of Othrys. The geothermal solutions of the Ampelia region are of the hydrochemical type Na-HCO3, while the solutions of the Fountain are of the hydrochemical type Na-SO4-Cl-HCO3. Estimating the expected temperature values of the geothermal reservoir, the most likely temperature is the range between 50 and 70oC, which includes the values obtained from the K/Mg and SiO2 geothermometers. The research area is therefore classified into the low enthalpy geothermal fields. The chemical composition of the geothermal springs in question in the area shows that these waters are not deeply circulated and have not been mixed with water of marine origin. According to EU Directive 98/93 on human consumption waters and the results of hydrochemical analyzes, it is found that almost all samples surpass the drinking water permissible limits in one or more of the heavy metals identified. The elements that are exceeded the maximum permissible limits set by E.C. are mainly nitrate and ammonium ions on the side of the main ions, while on the heavy metal side, nickel, cadmium, and lead occupy a special place. The groundwater of the research area is therefore considered unsuitable for human consumption.According to Richards and Wilcox groundwater classification methods with regard to their irrigation suitability, it is found that the majority of waters are characterized as suitable for irrigation purposes, but unsuitable for the cultivation of plants sensitive to salinity and the irrigation of soils with limited drainage.By comparing the results of hydrochemical and soil chemical analysis, correlations emerge between some elements resulting from the similarity of their spatial distributions. The similarities that appeared between spatial distributions of most heavy metals are characteristic, indicating their origin from the geological bedrock of the area. The locally observed high values of concentrations in both soil and groundwater are obviously related to anthropogenic factors, as the area is affected by the effects of intensive farming.

Στην παρούσα διατριβή γίνεται διερεύνηση των γεωγενών και ανθρωπογενών παραγόντων που επηρεάζουν την γεωχημική σύσταση των εδαφών και την ποιότητα των υπόγειων υδάτων στη λεκάνη των Φαρσάλων. Η χημική σύσταση των δυο σημαντικών περιβαλλοντικών παραγόντων, του εδάφους και του νερού, συνδέεται άμεσα αφενός από την γεωλογική δομή, τη λιθολογία του εδάφους και υπεδάφους, τις γεωχημικές διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα εντός των στρωμάτων κατά τη κατείσδυση και μετακίνηση του νερού, αλλά και αφετέρου από την χρήση των εδαφών και των άλλων ανθρώπινων ενεργειών που πραγματοποιούνται στην επιφάνεια. Η περιοχή έρευνας καταλαμβάνει τμήμα της νότιας πλευράς της Μεσοθεσσαλικής Ράχης, την ανατολική απόληξη της λεκάνης Δυτικής Θεσσαλίας και των βόρειων πρανών της Όθρυς, κοντά στα Φάρσαλα. Στην περιοχή έρευνας διακρίνονται τρεις διαφορετικοί τύποι υπόγειων υδροφόρων οριζόντων, α) οι προσχωµατικοί υδροφόροι που αναπτύσσονται στους ιζηματογενείς σχηματισμούς της λεκάνης των Φαρσάλων, β) οι καρστικοί υδροφόροι που αναπτύσσονται στα ανθρακικά πετρώµατα και γ) οι υδροφόροι που αναπτύσσονται εντός των διαρρηγμένων κρυσταλλικών πετρωμάτων. Η κίνηση των υπόγειων υδάτων στον προσχωματικό υδροφόρο έχει διεύθυνση Α-ΒΑ η οποία συμπίπτει με την κατεύθυνση ροής του κύριου κλάδου του Ενιππέα ποταμού. Τα γεωχημικά χαρακτηριστικά των εδαφών της περιοχής και η ποιοτική σύσταση των υπόγειων υδάτων των προαναφερόμενων υδροφόρων σχηματισμών αποτέλεσαν αντικείμενο έρευνας στην παρούσα διατριβή. Σκοπός της έρευνας είναι η διερεύνηση των γεωγενών και ανθρωπογενών παραγόντων που επηρεάζουν την ποιότητα των εδαφών και υπόγειων υδάτων της λεκάνης των Φαρσάλων. Έγινε συλλογή 45 εδαφικών δειγμάτων που καλύπτουν κυρίως την εκμεταλλευόμενη πεδινή περιοχή. Τα εδάφη στην πλειοψηφία τους ανήκουν στα αργιλώδη και δευτερευόντως στα αργιλοπηλώδη. Τα εδάφη χαρακτηρίζονται στην πλειοψηφία τους αλκαλικά (pH 4 έως 8,5) και είναι φτωχά σε οργανική ουσία προφανώς λόγω της εντατικής καλλιέργειας. Οι τιμές της οργανικής ουσίας κυμαίνονται από 0,7% έως 6,1% με μέσο όρο 1,7%.Τα εδάφη της περιοχής είναι σε ποσοστό 76% αλκαλικά και η ηλεκτρική αγωγιμότητα παρουσιάζει τιμές από 74 μS/cm έως 827 μS/cm με μέσο όρο 486 μS/cm. Για την διερεύνηση των ποιοτικών χαρακτηριστικών των υπόγειων υδάτων έγινε δειγματοληψία συνολικά σε 25 πηγές και 98 γεωτρήσεις. Ο μεγαλύτερος αριθμός των δειγμάτων προέρχεται από γεωτρήσεις που εκμεταλλεύονται τον προσχωματικό υδροφορέα, ενώ καλύφθηκαν με δείγματα από γεωτρήσεις και πηγές και οι υδροφορίες των σχηματισμών των νεογενών, των ανθρακικών, των σχιστόλιθων και οφιόλιθων. Οι δειγματοληψίες των νερών πραγματοποιήθηκε κατά τα τέλη της υγρής και αρχές της ξηρής περιόδου. Πραγματοποιήθηκαν επιτόπιες μετρήσεις της θερμοκρασίας Τ, του pH, της ηλεκτρικής αγωγιμότητας EC και του διαλυμένου οξυγόνου (D.O.). Βάσει της στατιστικής ανάλυσης προκύπτει ότι τόσο στα υπόγεια ύδατα, όσο και στα εδάφη της περιοχής έρευνας, οι χαλαροί και συμπαγείς σχηματισμοί του γεωλογικού υποβάθρου αποτελούν τους βασικούς τροφοδότες σε χημικά στοιχεία που συμβάλουν στον εμπλουτισμό των εδαφών και των υπόγειων νερών. Από την ανάλυση παραγόντων της υπολειμματικής φάσης της μεθόδου Μodified Tessier διαπιστώνεται η μεγαλύτερη συμμετοχή των σχιστόλιθων και οφιόλιθων στις υψηλές συγκεντρώσεις βαρέων μετάλλων στα εδάφη και στα υπόγεια νερά (Fe, Mn, Zn, Cd, Ni, Co, Cr και Pb). Το 20,1% της ολικής διακύμανσης στα υπόγεια ύδατα εξηγείται από ανθρωπογενείς παράγοντες όπως η εφαρμογή λιπασμάτων και γενικότερα αγροχημικών στις καλλιέργειες της περιοχής. Στο κεντρικό, νότιο και βόρειο τμήμα της περιοχής έρευνας, περιοχή Αμπελείας και Κρήνης αντίστοιχα, εντοπίζονται θερμά υπόγεια νερά που η θερμοκρασία τους ανέρχεται στους 39,10C και 26,20C αντίστοιχα. Η παρατηρούμενη γεωθερμική ανωμαλία στην περιοχή σχετίζεται με τη διαρρηκτική τεκτονική που χαρακτηρίζει την λεκάνη Φαρσάλων και προφανώς με την ύπαρξη γεωθερμικού πεδίου που αναπτύσσεται στο γεωλογικό υπόβαθρο της ευρύτερης περιοχής της Όθρυς. Τα γεωθερμικά διαλύματα της περιοχής Αμπελείας είναι του υδροχημικού τύπου Na-HCO3, ενώ τα διαλύματα της περιοχής Κρήνης είναι του υδροχημικού τύπου Na-SO4-Cl-HCO3. Κατά εκτίμηση αναμενόμενων τιμών θερμοκρασίας του γεωθερμικού ταμιευτήρα, σαν πλέον πιθανή θερμοκρασία θεωρείται το πεδίο που κυμαίνεται μεταξύ 50 και 700C, στο οποίο εντάσσονται οι τιμές που προκύπτουν από τα γεωθερμόμετρα K/Mg και SiO2. Ως εκ τούτου η περιοχή έρευνας κατατάσσεται στα γεωθερμικά πεδία χαμηλής ενθαλπίας. Από την χημική σύσταση των εξεταζόμενων θερμών νερών της περιοχής προκύπτει ότι τα νερά αυτά δεν έχουν κυκλοφορήσει σε μεγάλο βάθος και δεν έχουν αναμειχθεί με νερό θαλάσσιας προέλευσης. Σύμφωνα με την Οδηγία 98/93 ΕΕ για νερά ανθρώπινης κατανάλωσης και τα αποτελέσματα των υδροχημικών αναλύσεων διαπιστώνεται ότι σχεδόν σε όλα τα δείγματα παρατηρούνται υπερβάσεις των ανώτατων ορίων σε ένα ή περισσότερα από τα βαρέα μέταλλα που προσδιορίστηκαν. Τα στοιχεία που παρουσιάζουν υπερβάσεις είναι κυρίως τα νιτρικά και αμμωνιακά ιόντα από την πλευρά των κύριων ιόντων, ενώ από την πλευρά των βαρέων μετάλλων ιδιαίτερη θέση καταλαμβάνουν το νικέλιο, το κάδμιο και ο μόλυβδος. Συνεπώς τα υπόγεια νερά της περιοχής έρευνας κρίνονται ως ακατάλληλα για ανθρώπινη κατανάλωση. Σύμφωνα με τις μεθόδους ταξινόμησης των υπόγειων υδάτων κατά Richards και Wilcox όσον αφορά την αρδευτική καταλληλότητά τους διαπιστώνεται ότι η πλειοψηφία των υδάτων χαρακτηρίζονται ως νερά καλής ποιότητας, κατάλληλα για άρδευση καλλιεργειών με εξαίρεση φυτά εξαιρετικά ευαίσθητα στα άλατα ή εδάφη με κακή στράγγιση. Από τη σύγκριση των αποτελεσμάτων των υδροχημικών κι εδαφοχημικών αναλύσεων προκύπτουν συσχετίσεις μεταξύ κάποιων στοιχείων που προκύπτουν από την ομοιότητα των χωρικών κατανομών αυτών. Είναι χαρακτηριστική οι ομοιότητες των χωρικών κατανομών των περισσότερων βαρέων μετάλλων που προσδιορίστηκαν στα εδάφη και των αντίστοιχων των υπόγειων νερών, γεγονός που υποδεικνύει ότι σε μεγάλο ποσοστό η προέλευσή τους σχετίζεται με το γεωλογικό υπόβαθρο της περιοχής. Οι παρατηρούμενες κατά τόπους εξάρσεις των συγκεντρώσεων τόσο στα εδάφη όσο και στα υπόγεια νερά προφανώς σχετίζονται και με ανθρωπογενείς παράγοντες, καθώς η περιοχή υφίσταται αναπόφευκτα τις επιπτώσεις της έντονης γεωργικής εκμετάλλευσης.