Προσομοίωση και βέλτιστη διαχείριση παράκτιων υπόγειων υδατικών συστημάτων

Abstract

Groundwater management of coastal aquifers is a challenge, as those systems are hydraulically connected to the sea while at the same time are stressed with extensive exploitation. An important part of the groundwater management process is a reliable groundwater model so as to predict the response of the system under different natural or artificially induced conditions.The aforementioned framework was applied to the coastal field of Marathon (Attica, Greece), a typical coastal Mediterranean hydro-system. The hydrodynamic conditions of the alluvial unit and its interaction with the karstified marble and the sea was specified through field investigation that conducted in Marathon plain. Water balance components, were estimated employing various hydrological approaches. The extensive problem of seawater intrusion in both groundwater formations (alluvial and karstified) was confirmed through water level and hydrochemical measurements. A pilot MAR scheme was designed, installed and tested in order to mitigate groundwater quantity and quality issues in the study area. The setup involves innovative technologies for injected water purification (Advanced Oxidation Process- Reverse Osmosis) while a horizontal directional drilling well (HDDW) was constructed for water injection.The application of a modeling tool, for the simulation of the horizontal injection well and the surrounding aquifer material was performed with the finite difference method by utilizing MODFLOW-CFP code. To evaluate the effectiveness of the simulation with the MODFLOW-CFP code, the HDDW was conceptualized within an additional pilot-scale groundwater flow model using MODFLOW-2005 code and the application of the WEL package, while the results of the two models were qualitatively compared. For the two models, sensitivity analysis was conducted using UCODE_2014. To this end, it was indicated that MODFLOW-CFP offered a more realistic representation of the horizontal injection well.Scientific research that was conducted in the Marathon plain in order to define hydraulic and hydrologic boundary conditions, the main sinks and sources of the alluvial aquifer and to construct the conceptual model of the hydrosystem. Groundwater flow of the alluvial aquifer at the basin scale was simulated with the finite difference method using the MODFLOW-2005 code, while sensitivity analysis and model calibration were successfully performed with the UCODE_2014 code.The distribution of the seawater intrusion zone within the alluvial aquifer of Marathon was investigated through mathematical modeling. A variable density groundwater flow model was conducted with the finite difference method using the SEAWAT code. Statistical analysis of the observed vs. simulated residuals compared to those produced with MODFLOW code, produced a better adjustment of the observed vs simulated hydraulic head.The aforementioned modelling activities were enhanced by the application of a participatory modelling approach that was employed for the groundwater management of the investigated aquifer system. The outcomes of the participatory workshop were used to generate different groundwater management scenarios. For the assessment of model results, an index was generated based on the Analytic Hierarchy Process – AHP. The main aim of the index was to quantify the advantages and disadvantages of the several scenarios and to support the stakeholders in the decision-making process.

Η διαχείριση των παράκτιων υδροφόρων συστημάτων, αφορά στα προβλήματα που προκύπτουν από την ανθρώπινη δραστηριότητα και τις ιδιαίτερες υδροδυναμικές συνθήκες λόγω της υδραυλικής επικοινωνία του υδροφορέα με τη θάλασσα. Αναπόσπαστο κομμάτι του σχεδιασμού διαχείρισης είναι η ανάπτυξη αξιόπιστου μαθηματικού μοντέλου υπόγειας ροής. Μέσω της μαθηματικής προσομοίωσης είναι δυνατό να προβλεφθεί η απόκριση του συστήματος σε μελλοντικές πιέσεις.Η παραπάνω μεθοδολογία εφαρμόστηκε στο παράκτιο πεδινό πεδίο του Μαραθώνα. Μέσα από εκτενή έρευνα πεδίου και μέσω της παρακολούθησης του υδροφόρου συστήματος του Μαραθώνα αποσαφηνίστηκαν η υδραυλική συμπεριφορά του προσχωματικού υδροφορέα της περιοχής και η αλληλεπίδραση του με τον υποκείμενο καρστικό υδροφορέα και τη θάλασσα. Το υδρολογικό ισοζύγιο του προσχωματικού υδροφορέα υπολογίστηκε μέσω υδρολογικών μεθόδων. Οι μετρήσεις στάθμης και οι χημικές αναλύσεις υπόγειου νερού δηλώνουν την υφαλμύριση των δύο υδροφορέων εξαιτίας της θαλάσσιας διείσδυσης. Μία πιλοτική εγκατάσταση Τ.Ε, κατασκευάστηκε και δοκιμάστηκε στην περιοχή του Σχινιά προκειμένου να αντιμετωπιστούν ζητήματα ποσότητας και ποιότητας του υπογείου νερού στην περιοχή μελέτης. Η εγκατάσταση περιλαμβάνει καινοτόμες τεχνολογίες για την εξυγίανση του νερού εμπλουτισμού (υβριδική μονάδα προηγμένης οξείδωσης-αφαλάτωσης) και για την εισαγωγή του νερού εμπλουτισμού στον υδροφορέα μέσω οριζόντιας γεώτρησης. Η οριζόντια γεώτρηση εμπλουτισμού που ορύχθηκε στην πιλοτική εγκατάσταση, προσομοιώθηκε με πεπερασμένες διαφορές με τη χρήση του κώδικα MODFLOW-CFP. Για να διερευνηθεί περαιτέρω η δυνατότητα εφαρμογής του κώδικα CFP, η οριζόντια γεώτρηση προσομοιώθηκε με το πακέτο WEL του MODFLOW-2005, συγκρίνοντας τα αποτελέσματα των δύο προσομοιώσεων. Για τα δύο μοντέλα, διεξήχθη ανάλυση ευαισθησίας και βαθμονόμηση μέσω του κώδικα UCODE_2014. Βάσει των αποτελεσμάτων, αποδείχτηκε ότι το πακέτο CFP παράγει μια πιο ρεαλιστική αναπαράσταση της οριζόντιας γεώτρησης εμπλουτισμού.Οι υδρογεωλογικές και υδρολογικές μετρήσεις τροφοδότησαν με δεδομένα την κατασκευή του μαθηματικού μοντέλου για την προσομοίωση του προσχωματικού υδροφορέα του Μαραθώνα. Η υπόγεια ροή προσομοιώθηκε με τον κώδικα MODFLOW-2005 ενώ πραγματοποιήθηκε ανάλυση ευαισθησίας και βαθμονόμηση των παραμέτρων του μοντέλου με τον κώδικα UCODE_2014. Η προσομοίωση της ροής μεταβαλλόμενης πυκνότητας για τον παράκτιο υδροφορέα πραγματοποιήθηκε με τον κώδικα SEAWAΤ. Οι παράμετροι που υπολογίστηκαν κατά τη βαθμονόμηση της ροής χρησιμοποιήθηκαν για το μοντέλο SEAWAT και τα αποτελέσματα της προσομοίωσης έδειξαν καλύτερη προσαρμογή των προσομοιωμένων υδραυλικών φορτίων στα μετρημένα σε σχέση με τον κώδικα MODFLOW 2005.Για την βέλτιστη διαχείριση του υπογείου νερού του Μαραθώνα πραγματοποιήθηκε η διαδικασία της συμμετοχικής μοντελοποίησης. Τα αποτελέσματα του συμμετοχικού εργαστηρίου που πραγματοποιήθηκε στον Μαραθώνα χρησιμοποιήθηκαν για τη σύνθεση μιας σειράς εναλλακτικών σεναρίων εφαρμογής Τ.Ε. βάσει των αναγκών κάθε ομάδας ενδιαφερομένων. Η επιλογή του καλύτερου διαχειριστικού σεναρίου επιτεύχθηκε με τη δημιουργία ενός νέου δείκτη αξιολόγησης βασισμένο στην Αναλυτική Ιεραρχική Διαδικασία (Analytic Hierarchy Process – AHP). Ο δείκτης αποδείχτηκε ένα χρήσιμο εργαλείο για την λήψη αποφάσεων στην διαδικασία συμμετοχικής μοντελοποίησης για να αναδειχθούν τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των διαφόρων σεναρίων και να υποστηριχθούν τα ενδιαφερόμενα μέρη στη διαδικασία λήψης αποφάσεων.