Προσομοίωση παράκτιων υδροφορέων με τη συνδυασμένη χρήση πεπερασμένων στοιχείων και G.I.S.

Abstract

A quasi three-dimensional finite element model that simulates both steady and transient freshwater and saltwater flow, separated by a sharp interface has been developed to study coastal aquifer systems. The model takes into account the flow dynamics of both the salt and the fresh water. The governing equations are discretized by a Galerkin finite element discretization scheme. The system of non linear equations is solved applying the Gauss - Seidel iterative method. The non linearities are treated using Picard iterations. In order to avoid instabilities during the solution process and to achieve a smoother solution, the average of the three values of saturated thickness of each liquid phase (fresh and salt water) in each finite element is used. The same technique is applied in the case of hydraulic conductivities in an heterogeneous aquifer. The model has been verified in simple cases where analytical solutions exist for steady and transient flow, both for unconfined and confined aquifers whereas the simplifying assumption according to which the same value of hydraulic conductivity and specific storage for both fresh and salt water is used, seems to be in good agreement to the analytical solution. All necessary data is introduced and managed through a GIS computer program. The simulation program is used as a tool of the GIS program, thus forming an integrated management tool in order to simulate and study saline intrusion in coastal aquifers. Application of the model to Yermasogia aquifer in Cyprus, illustrates the coupled use of modeling and GIS techniques for the examination of regional coastal aquifer systems.

Ένα ημιτρισδιάστατο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων, που προσομοιώνει τη μόνιμη και μη μόνιμη ροή του γλυκού και του θαλασσινού νερού, τα οποία διαχωρίζονται από μια οξεία διεπιφάνεια, αναπτύχθηκε για τη μελέτη των παράκτιων υδροφορέων. Το μοντέλο λαμβάνει υπόψη την υδροδυναμική τόσο του θαλασσινού όσο και του γλυκού νερού. Οι εξισώσεις ροής διακριτοποιούνται χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Galerkin των πεπερασμένων στοιχείων. Το σύστημα των μη γραμμικών εξισώσεων που προκύπτει επιλύεται με την επαναληπτική μέθοδο Gauss - Seidel, ενώ η μη γραμμικότητα αντιμετωπίζεται χρησιμοποιώντας επαναλήψεις Picard. Για την αποτροπή φαιμομένων αστάθειας κατά τη διαδικασία επίλυσης και για να επιτευχθεί μια πιο ομαλή λύση, χρησιμοποιείται σε κάθε πεπερασμένο στοιχείο ο μέσος όρος των τριών τιμών των κορεσμένων παχών της κάθε φάσης (γλυκού και θαλασσινού νερού). Η ίδια τεχνική ακολουθείται και στην περίπτωση της υδραυλικής αγωγιμότητας όταν πρόκειται για ετερογενή υδροφορέα. Το μοντέλο επαληθεύεται σε απλές περιπτώσεις για τις οποίες υπάρχουν αναλυτικές λύσεις για μόνιμες και μη μόνιμες ροές, τόσο για ελεύθερο όσο και για υπό πίεση υδροφορέα, ενώ η απλοποιητική παραδοχή σύμφωνα με την οποία χρησιμοποιείται η ίδια τιμή υδραυλικής αγωγιμότητας και ειδικής αποθηκευτικότητας και για τις δύο φάσεις υγρού, προσεγγίζει ικανοποιητικά τις αναλυτικές λύσεις. Όλα τα απαραίτητα στοιχεία εισάγονται και διαχειρίζονται μέσω των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών. Το πρόγραμμα προσομοίωσης αποτελεί ουσιαστικά ένα “εργαλείο” των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών, με τη συνδυασμένη χρήση των οποίων δημιουργείται ένα ολοκληρωμένο σύστημα διαχείρισης των παράκτιων υδροφορέων. Η εφαρμογή του μοντέλου στον υδροφορέα Γερμασόγειας Κύπρου, δείχνει τη χρήση του μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων που αναπτύχθηκε στη μελέτη των συστημάτων των παράκτιων υδροφορέων.