Isotopic, hydrochemical and hydrological methods and models to investigate the function of Ziria-Kefalari karstic system, northern Peloponnese, Greece

Abstract

Karst aquifers constitute a critical component of global freshwater resources but are highly susceptible to contamination, over-extraction, and climate variability. Their inherent heterogeneity, characterized by complex porosity, permeability, recharge, storage, and discharge mechanisms, necessitates a multidisciplinary approach for effective assessment and management. This dissertation investigates the hydrogeological functioning of the Ziria karst groundwater system in northern Peloponnese, Greece, through an integrated framework combining isotopic, hydrochemical, and hydrological analyses with numerical modeling to evaluate groundwater dynamics, recharge processes, vulnerability, and the influence of tectonics on karstification. An extensive hydrochemical monitoring program was implemented, incorporating time-series analyses of major ion concentrations, stable isotopes, and saturation indices from selected springs and boreholes. Results delineated two distinct hydrochemical facies (Ca-HCO₃ and Ca-Mg-HCO₃), indicative of different recharge areas and flow pathways. Cluster analysis confirmed the existence of multiple groundwater sources, with the regional geological setting exerting a significant influence on hydrochemical evolution, while stable isotope signatures (δ¹⁸O and δ²H) identified recharge elevations ranging from 1,450 to 2,000 meters. Hydrodynamic monitoring revealed that the Stymphalian Spring Front, the primary discharge outlet of the system, exhibits pronounced seasonal variability in flow rates, while its immediate response to rainfall events underscores the mature karstification state of the aquifer. To quantify recharge, the APLIS and modified APLIS methods were applied to determine the most suitable approach for karst aquifer assessment. Although both methods produced comparable mean annual recharge estimates (42.7% and 41.4%, respectively), spatial distribution differences were evident. The modified APLIS methodology emerged as the more accurate and reliable approach due to its integration of permeability assessments, enhancing the precision of recharge estimations. Recharge rates peaked at 85% in the highly permeable bare limestone outcrops of Mount Ziria, whereas lower rates were recorded in less permeable formations. Numerical simulations using the VarKarst model, calibrated with observed discharge data, further confirmed the temporal variability of recharge zones, which ranged from 46.3 to 62.1 km² over the hydrological years 2017–2018 and 2018–2019. A comprehensive vulnerability assessment was conducted through a comparative analysis of two widely employed vulnerability mapping methodologies, COP and PaPRIKa, to evaluate their applicability in the study area. Both methods were utilized to generate a hybrid vulnerability map through geospatial and statistical analyses. COP predominantly classified the study area as having Low to Very Low vulnerability, whereas PaPRIKa identified Moderate vulnerability as the dominant category, suggesting a higher sensitivity to karst-specific characteristics. To mitigate potential biases in PaPRIKa, a single-parameter sensitivity analysis was performed, leading to adjusted weighting factors and the development of a modified version, PaPRIKa-Mod. A quantitative comparison of all three methodologies highlighted varying degrees of concordance, with PaPRIKa and PaPRIKa-Mod demonstrating the highest consistency, reinforcing their methodological robustness. In contrast, COP exhibited lower but still notable agreement with both versions of PaPRIKa, indicating their potential for integration and complementary application in karst vulnerability assessments. The resulting hybrid vulnerability map, derived from the synthesis of overlapping classifications, significantly improved the reliability of groundwater risk evaluations.Additionally, this dissertation adopted a dual-method approach, integrating stereoscopic aerial photograph analysis with GIS-based hill-shading to enhance the detection and mapping of lineaments within the Ziria karst system. This combined methodology identified 1,214 lineaments, revealing structural and erosional features that would have remained undetected using a single technique alone. Field validation at selected sites confirmed that many of the identified lineaments corresponded to fault or fracture systems, with a predominant NNW-SSE orientation observed across multiple datasets. To further assess structural connectivity, a Fracture Network Analysis was conducted at both regional and outcrop scales. The results demonstrated higher connectivity and complexity at the outcrop scale, characterized by a greater frequency of branching (Y) and intersection (X) nodes, compared to the more isolated features at the regional scale. A detailed karst landform inventory identified 325 karst depressions, of which approximately 62.5% were directly associated with mapped lineaments. The remaining depressions, while not in direct contact with lineaments, were predominantly situated in areas of high lineament density, indicating an indirect structural influence on their formation. The identified lineaments were subsequently utilized to refine the boundaries of the karst aquifer through the exclusion of crystalline metamorphic bedrock, and to enhance groundwater vulnerability and recharge assessments. The findings of this dissertation underscore the crucial role of structural controls in shaping karst hydrogeological systems and provide a robust framework for assessing key hydrological processes. The integration of advanced hydrochemical, numerical, and geospatial methodologies offers valuable insights into groundwater resource management, particularly in tectonically active karst environments. These results contribute to the development of more effective strategies for groundwater protection, sustainable management, and policy implementation in vulnerable karst aquifer systems.

Οι καρστικοί υδροφορείς αποτελούν θεμελιώδες τμήμα των παγκόσμιων αποθεμάτων γλυκού νερού, ωστόσο είναι ιδιαίτερα ευάλωτοι στη ρύπανση, την υπεράντληση και τις επιπτώσεις της κλιματικής μεταβλητότητας. Η εγγενής ετερογένειά τους, που απορρέει από την πολύπλοκη δομή του πορώδους, τη διαπερατότητα, τους μηχανισμούς τροφοδοσίας, την αποθηκευτική ικανότητα και τις διαδικασίες εκφόρτισης, καθιστά αναγκαία την υιοθέτηση μιας διεπιστημονικής προσέγγισης για την αξιόπιστη αξιολόγηση και ορθολογική διαχείρισή τους. Η παρούσα διατριβή διερευνά τη λειτουργία του υπόγειου καρστικού συστήματος της Ζήρειας στη βόρεια Πελοπόννησο, μέσω ενός ολοκληρωμένου ερευνητικού πλαισίου που συνδυάζει ισοτοπικές, υδροχημικές, υδρολογικές αναλύσεις και αριθμητική προσομοίωση, με στόχο την αξιολόγηση της υδροδυναμικής συμπεριφοράς, των διεργασιών τροφοδοσίας, της τρωτότητας και της επίδρασης των τεκτονικών διεργασιών στην καρστικοποίηση. Υλοποιήθηκε ένα εκτεταμένο πρόγραμμα υδροχημικής παρακολούθησης το οποίο περιλαμβάνει χρονοσειρές συγκεντρώσεων κύριων ιόντων, σταθερών ισοτόπων και δεικτών κορεσμού, που συλλέχθηκαν από επιλεγμένες πηγές και γεωτρήσεις. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν δύο διακριτούς υδροχημικούς τύπους (Ca-HCO₃ και Ca-Mg-HCO₃), οι οποίοι υποδεικνύουν διαφορετικές περιοχές τροφοδοσίας και διαδρομές υπόγειας ροής. Η ανάλυση συστάδων (cluster analysis) επιβεβαίωσε την διαφορετική προέλευση του υπόγειου νερού των πηγών, με τη γεωλογική δομή της περιοχής να επηρεάζει καθοριστικά την υδροχημική εξέλιξη, ενώ οι αναλύσεις σταθερών ισοτόπων (δ¹⁸O και δ²H) προσδιόρισαν υψόμετρα τροφοδοσίας μεταξύ 1.450 και 2.000 μέτρων. Η υδροδυναμική παρακολούθηση έδειξε ότι το Μέτωπο Πηγών Στυμφαλίας, το κύριο σημείο εκφόρτισης του συστήματος, εμφανίζει έντονη εποχική μεταβλητότητα στην παροχή, ενώ η άμεση απόκρισή του σε επεισόδια βροχόπτωσης υπογραμμίζει τον ώριμο καρστικό χαρακτήρα του υδροφορέα. Για την ποσοτικοποίηση της τροφοδοσίας εφαρμόστηκαν οι μέθοδοι APLIS και modified APLIS, προκειμένου να καθοριστεί η καταλληλότερη προσέγγιση αξιολόγησης καρστικών υδροφορέων. Παρότι και οι δύο μέθοδοι παρήγαγαν παρόμοιες μέσες ετήσιες τιμές τροφοδοσίας (42,7% και 41,4% αντίστοιχα), παρατηρήθηκαν σαφείς διαφοροποιήσεις στην χωρική τους κατανομή. Η τροποποιημένη (modified) μέθοδος APLIS αποδείχθηκε ακριβέστερη και πιο αξιόπιστη, λόγω της ενσωμάτωσης παραμέτρων διαπερατότητας, βελτιώνοντας σημαντικά την ακρίβεια των υπολογισμών. Τα υψηλότερα ποσοστά τροφοδοσίας (έως 85%) καταγράφηκαν στα εκτεθειμένα, ιδιαίτερα διαπερατά ασβεστολιθικά πετρώματα του όρους Ζήρεια. Οι αριθμητικές προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν με το μοντέλο VarKarst, το οποίο βαθμονομήθηκε με πραγματικά δεδομένα παροχής, επιβεβαίωσαν την εποχική μεταβλητότητα των ζωνών τροφοδοσίας, οι οποίες κυμάνθηκαν από 46,3 έως 62,1 km² κατά τα υδρολογικά έτη 2017–2018 και 2018–2019. Μια σφαιρική αξιολόγηση τρωτότητας πραγματοποιήθηκε μέσω της ανάλυσης δύο ευρέως χρησιμοποιούμενων μεθοδολογιών χαρτογράφησης, της COP και της PaPRIKa, για την εκτίμηση της καταλληλότητάς τους στην περιοχή μελέτης. Οι δύο μέθοδοι στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκαν για την παραγωγή ενός υβριδικού χάρτη τρωτότητας μέσω γεωχωρικών και στατιστικών αναλύσεων. Η μέθοδος COP κατέταξε το μεγαλύτερο τμήμα της περιοχής σε κατηγορίες Χαμηλής έως Πολύ Χαμηλής τρωτότητας, ενώ η PaPRIKa ανέδειξε τη Μέτρια τρωτότητα ως κυρίαρχη κατηγορία, υποδηλώνοντας υψηλότερη ευαισθησία στα καρστικά χαρακτηριστικά. Για τη μείωση πιθανών μεροληψιών στην PaPRIKa, πραγματοποιήθηκε ανάλυση ευαισθησίας μονοπαραμετρικού τύπου, η οποία οδήγησε σε αναπροσαρμογή των συντελεστών βαρύτητας και στην ανάπτυξη της τροποποιημένης εκδοχής PaPRIKa-Mod. Η ποσοτική σύγκριση των τριών μεθοδολογιών ανέδειξε διαφορετικά επίπεδα συμφωνίας, με την PaPRIKa και την PaPRIKa-Mod να παρουσιάζουν τη μεγαλύτερη συνέπεια, επιβεβαιώνοντας τη μεθοδολογική τους αξιοπιστία. Αντιθέτως, η COP εμφάνισε χαμηλότερη αλλά αξιοσημείωτη συμφωνία με τις δύο εκδοχές της PaPRIKa, γεγονός που υποδεικνύει τη δυνατότητα συνδυαστικής τους εφαρμογής για την εκτίμηση της τρωτότητας σε καρστικούς υδροφορείς. Ο τελικός υβριδικός χάρτης τρωτότητας, ο οποίος προέκυψε από τη σύνθεση επικαλυπτόμενων ταξινομήσεων, συνέβαλε στη βελτίωση της αξιοπιστίας της εκτίμησης κινδύνου για τους υπόγειους υδατικούς πόρους. Επιπλέον, η παρούσα διατριβή υιοθέτησε μια συνδυαστική μεθοδολογική προσέγγιση, συνδυάζοντας στερεοσκοπική ανάλυση αεροφωτογραφιών και σκιασμένη απεικόνιση αναγλύφου (hill-shade) μέσω GIS, με στόχο την ενίσχυση της ικανότητας ανίχνευσης και χαρτογράφησης γραμμικών δομών (lineaments) στο καρστικό σύστημα της Ζήρειας. Η προσέγγιση αυτή επέτρεψε τον εντοπισμό 1.214 γραμμικών στοιχείων, αποκαλύπτοντας τεκτονικές και διαβρωτικές δομές που δεν θα είχαν ανιχνευθεί με την εφαρμογή μεμονωμένων τεχνικών. Η επιτόπια επαλήθευση σε επιλεγμένες θέσεις επιβεβαίωσε ότι πολλές από τις γραμμικές δομές αντιστοιχούν σε ρήγματα ή συστήματα ρωγμών, με κυρίαρχο προσανατολισμό ΒΒΔ–ΝΝΑ, όπως καταγράφηκε σε πολλαπλά σύνολα δεδομένων. Για τη διερεύνηση της δομικής συνδεσιμότητας, εφαρμόστηκε Ανάλυση Δικτύου Ρωγμών σε περιφερειακή και επιτόπια κλίμακα. Τα αποτελέσματα κατέδειξαν υψηλότερη συνδεσιμότητα και πολυπλοκότητα σε επιτόπια κλίμακα, με αυξημένη συχνότητα κόμβων διακλάδωσης (Υ) και τομής (Χ), σε σύγκριση με τις πιο απομονωμένες δομές σε περιφερειακό επίπεδο. Η αναλυτική απογραφή των καρστικών μορφολογικών στοιχείων εντόπισε 325 καρστικές δομές, εκ των οποίων περίπου το 62,5% συνδέονται άμεσα με χαρτογραφημένες γραμμώσεις (lineaments). Οι υπόλοιπες, αν και δεν βρίσκονται σε άμεση επαφή με γραμμικές δομές, εντοπίστηκαν κυρίως σε περιοχές υψηλής πυκνότητας γραμμώσεων, γεγονός που υποδηλώνει την έμμεση επίδραση στη δημιουργία τους. Οι χαρτογραφημένες γραμμικές δομές αξιοποιήθηκαν για τον ακριβέστερο καθορισμό των ορίων του καρστικού υδροφορέα, μέσω του αποκλεισμού των μεταμορφωμένων σχηματισμών του υποβάθρου, καθώς και για τη βελτίωση των εκτιμήσεων τροφοδοσίας και τρωτότητας. Τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής προσφέρουν ένα ισχυρό μεθοδολογικό πλαίσιο για την εις βάθος κατανόηση θεμελιωδών υδρολογικών διεργασιών των καρστικών συστημάτων. Ο συνδυασμός προηγμένων υδροχημικών, αριθμητικών και γεωχωρικών μεθοδολογιών προσφέρει πολύτιμες γνώσεις για τη διαχείριση των υπόγειων υδατικών πόρων, ιδίως σε τεκτονικά ενεργά καρστικά περιβάλλοντα. Τα ευρήματα της έρευνας μπορούν να αξιοποιηθούν για την ανάπτυξη αποτελεσματικότερων στρατηγικών προστασίας και αειφορικής διαχείρισης των καρστικών υδροφορέων.