Εφαρμογή γεωπληροφορικών συστημάτων μαθηματικών μοντέλων και γενετικών αλγορίθμων στη διερεύνηση της επικινδυνότητας υπόγειων υδροφορέων: η περίπτωση της λεκάνης απορροής του Άνω Ανθεμούντα

Abstract

The present doctoral thesis falls within the broader scientific field of Earth Sciences and Environmental Studies, specifically in the area of Environmental Hydrogeology, which is related to underground water resources and pertains to the preservation of their essential quality. The main objective of this research is to develop an original and reliable methodology aimed at the comprehensive investigation and optimization of Groundwater Vulnerability assessment. The methodology being developed involves the integration of a widely used Vulnerability assessment method, known as DRASTIC, with modern and reliable tools, including: a) Geoinformation Systems (Geographic Information Systems–GIS and Remote Sensing), b) Numerical (Mathematical) Models for simulating the water cycle (hydrological and hydrogeological models), and c) Genetic Algorithms. More specifically, results from numerical simulation models, such as infiltration from the hydrological model, groundwater depth and hydraulic conductivity from the groundwater flow model, are used as input data in the DRASTIC Vulnerability assessment method. Additionally, the Land Use parameter is incorporated into the DRASTIC method to account for the impact of human activities on groundwater quality, thus generating the DRASTIC-LU model for estimating pollution risk. Furthermore, optimization of weighting factors and ratings of the DRASTIC-LU method is achieved by using genetic algorithms (GA), resulting in the DRASTIC-LU-GA model. Python programming language is employed for implementing the genetic algorithm optimization process, considering measured nitrate concentrations and aiming to maximize the correlation between nitrate values and groundwater Vulnerability index values. A pilot application of the proposed methodology is conducted in the aquifer of Upper Anthemountas river basin, located in Chalkidiki peninsula, which is characterized by significant water quality issues, closely related to intensive agricultural activities in the area and the excessive use of fertilizers. The hydrological model applied in the study area is the SWAT model, which simulates surface water conditions in the basin. After the successful calibration of the model, based on predefined criteria, results indicate that evapotranspiration is the most significant component of the overall hydrological balance and surface runoff in the basin is directly linked to rainfall. Processes related to groundwater flow in the study area are simulated using the MODFLOW groundwater flow model. The model is successfully calibrated, according to all specified criteria, and the results show that the distribution of hydraulic load follows a general direction from East to West and is consistent with the topography of the region. Moreover, most of the groundwater recharge in the aquifer system occurs through surface infiltration (rainfall), while groundwater abstraction from the aquifer, mainly occurs through multiple pumping wells situated in the area, primarily, for irrigation purposes. The evaluation of the application of the Vulnerability models (DRASTIC and DRASTIC-LU) in the study area, is conducted through the correlation between Vulnerability index values and nitrate concentration values, using the Spearman correlation coefficient (rho). The results indicate that both the DRASTIC and DRASTIC-LU models did not show satisfactory correlation with nitrate concentrations. In contrast, the DRASTIC-LU-GA model, which was developed through a Genetic Algorithm-based optimization process, provides highly satisfactory correlation values, thus establishing it the most suitable model for estimating pollution risk in the study area. Utterly, based on the final pollution risk map, as produced by the application of the DRASTIC-LU-GA model, a public supply well is located within an area of the aquifer that is classified as highly vulnerable. Therefore, it is strongly suggested, that this well should be placed under a regular monitoring regime, in order to ensure high quality drinking water.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εντάσσεται στον ευρύτερο επιστημονικό τομέα των Γεωεπιστημών και του Γεωπεριβάλλοντος και ειδικότερα στη γνωστική περιοχή/θεματολογία της Περιβαλλοντικής Υδρογεωλογίας, που σχετίζεται με τους υπόγειους υδατικούς πόρους και αναφέρεται στη διαφύλαξη του απαραίτητου επιπέδου ποιότητάς τους. Βασικό σκοπό της παρούσας έρευνας αποτελεί η ανάπτυξη μιας πρωτότυπης και συγχρόνως αξιόπιστης μεθοδολογίας, η οποία αποσκοπεί στην ενδελεχή διερεύνηση και βελτιστοποίηση της εκτίμησης της Επικινδυνότητας των υπόγειων υδροφόρων συστημάτων. Η μεθοδολογία που αναπτύσσεται, συνίσταται στο συνδυασμό μιας ευρύτατα διαδεδομένης μεθόδου υπολογισμού της Τρωτότητας, γνωστής ως DRASTIC, με σύγχρονα και αξιόπιστα εργαλεία όπως: α) Γεωπληροφοριακά Συστήματα (Συστήματα Γεωγραφικών Πληροφοριών και Τηλεπισκόπιση), β) Μαθηματικά Μοντέλα Προσομοίωσης του κύκλου του νερού, δηλαδή υδρολογικά και υδρογεωλογικά μοντέλα, καθώς και γ) Γενετικούς Αλγόριθμους. Πιο συγκεκριμένα, τα αποτελέσματα των μαθηματικών μοντέλων προσομοίωσης, δηλαδή η κατείσδυση από το υδρολογικό μοντέλο, το βάθος του υπόγειου νερού και η υδραυλική αγωγιμότητα από το μοντέλο υπόγειας ροής, χρησιμοποιούνται ως δεδομένα εισόδου στη μέθοδο εκτίμησης της Τρωτότητας DRASTIC. Παράλληλα, η παράμετρος των Χρήσεων Γης προστίθεται στη μέθοδο DRASTIC, λαμβάνοντας έτσι υπόψη την επίδραση των ανθρωπογενών δραστηριοτήτων στην επίδραση της ποιότητας των υπόγειων υδάτων και δημιουργώντας το μοντέλο Επικινδυνότητας DRASTIC-LU. Επιπλέον, πραγματοποιείται βελτιστοποίηση των συντελεστών βαρύτητας, αλλά και της βαθμονόμησης των κλάσεων (διαστημάτων τιμών) της κάθε παραμέτρου της μεθόδου DRASTIC-LU, με χρήση Γενετικών Αλγορίθμων (μοντέλο DRASTIC-LU-GA) σε περιβάλλον κώδικα python, λαμβάνοντας υπόψη μετρημένες τιμές συγκέντρωσης νιτρικών, και επιχειρώντας τη μεγιστοποίηση της συσχέτισης μεταξύ των τιμών των νιτρικών και του δείκτη Επικινδυνότητας. Η πιλοτική εφαρμογή της προτεινόμενης μεθοδολογίας λαμβάνει χώρα στον υδροφορέα της λεκάνης απορροής του Άνω Ανθεμούντα Χαλκιδικής, μία περίπτωση υδροφορέα που χαρακτηρίζεται από σημαντικά ποιοτικά προβλήματα, τα οποία είναι άρρηκτα συνδεδεμένα με την εντατικοποίηση των αγροτικών δραστηριοτήτων στην περιοχή και στη μεγάλη χρήση των λιπασμάτων. Το υδρολογικό μοντέλο που εφαρμόστηκε στην περιοχή μελέτης είναι το SWAT, το οποίο προσομοιώνει τις συνθήκες που αφορούν στα επιφανειακά ύδατα της λεκάνης. Έπειτα από την επιτυχημένη βαθμονόμηση του μοντέλου, σύμφωνα με τα κριτήρια που επιλέχθηκαν, τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η εξατμισοδιαπνοή αποτελεί το σημαντικότερο παράγοντα του συνολικού υδρολογικού ισοζυγίου και ότι η επιφανειακή απορροή στη λεκάνη είναι άμεσα συνυφασμένη με τις βροχοπτώσεις. Οι διεργασίες που αφορούν τις ροές των υπογείων υδάτων στην περιοχή μελέτης, προσομοιώθηκαν με τη χρήση του μοντέλου υπόγειας ροής MODFLOW. Το μοντέλο ρυθμίστηκε επιτυχώς, σύμφωνα με όλα τα κριτήρια που τέθηκαν και τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η κατανομή του υδραυλικού φορτίου ακολουθεί μια γενική διεύθυνση A – Δ και συμβαδίζει με την τοπογραφία του εδάφους. Επίσης, το μεγαλύτερο μέρος του εμπλουτισμού του υδροφόρου συστήματος πραγματοποιείται από την επιφανειακή κατείσδυση (βροχοπτώσεις), ενώ η απομάκρυνση νερού από τον υδροφορέα συνίσταται κατά κύριο λόγο από τις αντλήσεις που λαμβάνουν χώρα στην περιοχή για την κάλυψη, κυρίως, των αρδευτικών αναγκών. Η αξιολόγηση της εφαρμογής στην περιοχή μελέτης των μοντέλων της Τρωτότητας (DRASTIC) και Επικινδυνότητας (DRASTIC-LU) εξετάστηκε με τη συσχέτιση μεταξύ των τιμών του δείκτη Τρωτότητας και των συγκεντρώσεων νιτρικών αλάτων, που εκφράζεται με το συντελεστή συσχέτισης Spearman (rho). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τόσο το μοντέλο DRASTIC όσο και το μοντέλο DRASTIC-LU, δεν παρουσίασαν ικανοποιητική συσχέτιση με τις συγκεντρώσεις των νιτρικών. Αντίθετα, το μοντέλο DRASTIC-L-GA που αναπτύχθηκε με την εφαρμογή μιας διαδικασίας βελτιστοποίησης πλήρως βασισμένης σε Γενετικούς Αλγόριθμους, παρέχει εξαιρετικά ικανοποιητικές τιμές συσχέτισης, γεγονός που το καθιστά ως το πλέον κατάλληλο μοντέλο εκτίμησης Επικινδυνότητας για την περιοχή μελέτης. Εν τέλει, με βάση τη δημιουργία του τελικού χάρτη εκτίμησης της Επικινδυνότητας για την περιοχή μελέτης, που παράχθηκε από την εφαρμογή του μοντέλου DRASTIC-LU-GA, προκύπτει ότι μια υδρευτική γεώτρηση εντοπίζεται εντός της ζώνης υψηλής Επικινδυνότητας του Υδροφορέα. Συνεπώς, προτείνεται η συγκεκριμένη υδρογεώτρηση να τεθεί υπό καθεστώς τακτικής παρακολούθησης, με σκοπό την εξασφάλιση της ποιότητας του πόσιμου νερού.