Υδρογεωλογική προσομοίωση του παράκτιου αλλουβιακού υδροφορέα της λεκάνης απορροής του ποταμού Χαβρία Χαλκιδικής σε συνθήκες κλιματικής αλλαγής

Abstract

The object of the dissertation thesis is to introduce a comprehensive methodology, which can be implemented into any ungauged or data-scarce aquifer, reducing the uncertainties in hydrogeological-hydrological simulation due to the limited observed hydrogeological-hydrological and meteorological data. Overall, the proposed methodology leads to the reliable estimation of the potential climate change impacts on an aquifer. For this purpose, climate, hydrological and groundwater flow models, tools (GIS) and statistical packages (R statistical program) were coupled. The proposed methodology was carried out in a coastal alluvial aquifer, being part of the Havrias river basin (Chalkidiki, Greece). The general circulation models (GCMs), Hadley Global Environment Model 2 (HadGME2) and MPI Earth System Model running on mixed resolution grid (MPI) under the extreme RCP8.5 pathway were used as forcing data to the Regional Climate Model Version 4 (RegCM4) in order to represent the future climate over the research area. The reliability of the RegCM4 climate model to represent the climate conditions over the research area was enhanced by applying the spatio-temporal Kriging approach. The spatio-temporal Kriging was also implemented into the climate model simulations for the future periods (2031-2050 and 2080-2099). Based on the results, the changes (increase/decrease) in the future climate parameters vary between the general circulation models (GCMs). Then, the MODFLOW was employed to simulate the groundwater system of the coastal aquifer of the Havrias river basin under climate change conditions. The aquifer’s recharge was quantified by using the ArcSWAT hydrological model. The aquifer is mainly recharged mainly by rainfall infiltration, infiltration through torrent beds and irrigation returns. The potential climate change effects on the hydrological components (infiltration, surface runoff and evapotranspiration) over the research area until the end of the 21st century were investigated by driving the ArcSWAT model with the Regional Climate Model Version 4 (RegCM4) forcing data, resulted from the spatio-temporal Kriging approach. According to the results, the response of the hydrological components varies between the climate model simulations. In particular, the infiltration reduction ranges between 4.5-11% (2031-2050) and 15-27% (2080-2099). Moreover, it is proved that both precipitation and temperature are the most influential climate parameters in determining the water balance of the study area. Τhe results from the SWAT application with the climate model data, namely the estimated infiltration and runoff, were used as input data to drive the MODFLOW model. The groundwater simulation indicated that the reduce in infiltration resulted in the groundwater level decline until the end of the 21st century. The estimated decline of the groundwater level implies the decrease in the water resources availability and the seawater intrusion, causing the qualitative and quantitative deterioration of the aquifer system. In conclusion, the above methodology can be applied into any ungauged or data-scarce aquifer for the reasonable assessment of hydrogeological-hydrological impacts of climate change

Η παρούσα διδακτορική διατριβή είχε ως αντικείμενο την ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης μεθοδολογίας με καινοτόμα στοιχεία για την αξιόπιστη και βέλτιστη συνδυασμένη εφαρμογή των κλιματικών και των υδρολογικών-υδρογεωλογικών μοντέλων σε υδροφορείς με ελάχιστα ή και χωρίς παρατηρούμενα μετεωρολογικά και υδρολογικά-υδρογεωλογικά δεδομένα. Για την επίτευξη του στόχου συνδυάστηκαν διαφορετικά μοντέλα (κλιματικά μοντέλα, μοντέλα υδρολογίας και προσομοίωσης υπόγειας ροής), επιστημονικά εργαλεία (Συστήματα Γεωγραφικών Πληροφοριών-GIS), καθώς και στατιστικά πακέτα (πακέτο γλώσσας προγραμματισμού R). Η εφαρμογή της μεθοδολογίας πραγματοποιήθηκε στον αλλουβιακό υδροφορέα, που αναπτύσσεται στο παράκτιο τμήμα της λεκάνης απορροής του ποταμού Χαβρία Χαλκιδικής. Για την εκτίμηση της κλιματικής αλλαγής, χρησιμοποιήθηκε το περιοχικό κλιματικό μοντέλο RegCM4, στο οποίο ενσωματώθηκαν τα μοντέλα γενικής κυκλοφορίας MPI και HadGEM2 με χωρική ανάλυση 50 x 50 km, ακολουθώντας μια από τις πλέον πρόσφατες προσεγγίσεις και συγκεκριμένα, το πιο ακραίο σενάριο εκπομπών RCP8.5. Για τη ρεαλιστική αναπαράσταση του παροντικού κλίματος και την εκτίμηση του μελλοντικού κλίματος της περιοχής έρευνας δημιουργήθηκε μια βάση δεδομένων, αποτελούμενη από κλιματικές παραμέτρους υψηλής χωροχρονικής κλίμακας, η οποία επιτεύχθηκε μέσω της χωροχρονικής μεθόδου βέλτιστης παρεμβολής Kriging. Από την εφαρμογή της χωροχρονικής μεθόδου βέλτιστης παρεμβολής Kriging στις μελλοντικές παραμέτρους των δεδομένων εισόδου του περιοχικού κλιματικού μονέλου RegCM4, εκτιμήθηκαν οι μεταβολές των κλιματικών παραμέτρων για τις μελλοντικές περιόδους 2031-2050 και 2080-2099. Τα ποσοστά μείωσης και αύξησης των κλιματικών παραμέτρων, που προέκυψαν, διαφέρουν ανάλογα με το μοντέλο γενικής κυκλοφορίας, που χρησιμοποιείται ως δεδομένο εισόδου στο περιοχικό κλιματικό μοντέλο RegCM4. Η προσομοίωση της υπόγειας ροής του παράκτιου υδροφορέα της λεκάνης απορροής του ποταμού Χαβρία σε συνθήκες κλιματικής αλλαγής πραγματοποιήθηκε μέσω της εφαρμογής του κώδικα MODFLOW. Για τον προσδιορισμό του παροντικού και του μελλοντικού εμπλουτισμού του υδροφορέα, που γίνεται μέσω της κατείσδυσης του νερού της βροχόπτωσης, της διήθησης από τον ποταμό Χαβρία και των επιστροφών άρδευσης, χρησιμοποιήθηκε το υδρολογικό μοντέλο ArcSWAT. Από τα αποτελέσματα της συνδυασμένης εφαρμογής του υδρολογικού μοντέλου ArcSWAT με το περιοχικό κλιματικό μοντέλο RegCM4, παρατηρήθηκε τάση μείωσης της κατείσδυσης έως το τέλος του 21ου αιώνα, που ποικίλει ανάλογα με το μοντέλο γενικής κυκλοφορορίας και κυμαίνεται από 4,5-11% (περίοδος 2031-2050) έως 15-27% (περίοδος 2080-2099). Επιπρόσθετα, διαπιστώθηκε ότι όχι μόνο οι μεταβολές στη βροχόπτωση αλλά και οι μεταβολές στη θερμοκρασία επιδρούν καθοριστικά στις συνιστώσες του υδρολογικού ισοζυγίου. Τέλος, η διερεύνηση των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής στη στάθμη του υπόγειου νερού επιτεύχθηκε μέσω της εφαρμογής του κώδικα MODFLOW με δεδομένα εισαγωγής τα αποτελέσματα της εφαρμογής του υδρολογικού μοντέλου ArcSWAT με τα διάφορα κλιματικά δεδομένα. Από την προσομοίωση του παράκτιου αλλουβιακού υδροφορέα σε συνθήκες κλιματικής αλλαγής προέκυψε η συνεχής ταπείνωση της στάθμης του υπόγειου νερού έως το τέλος του 21ου αιώνα, ως επακόλουθο της μείωσης της κατείσδυσης και κατ’επέκταση της επανατροφοδοσίας του. Η ελάττωση του διαθέσιμου υδατικού δυναμικού και η διείσδυση του θαλασσινού νερού προς την ενδοχώρα εκτιμάται ότι θα προκαλέσει την ποσοτική μείωση και ποιοτική υποβάθμιση του υδροφόρου συστήματος. Το γεγονός αυτό θα αποτελέσει τροχοπέδη για την κάλυψη των υδρευτικών και αρδευτικών αναγκών της περιοχής έρευνας, καθώς συνδέονται άμεσα με το υπόγειο νερό.