Interaction between groundwater and groundwater dependent ecosystems

Abstract

The interaction between groundwater and groundwater dependent ecosystems is an important process, which affects the availability and quality of water. The research of the interaction of water bodies is vital for maintaining the hydrological balance, protecting the environment and ensuring the availability and quality of water for future generations. Without this investigation, there is a risk of overexploitation, pollution and ecological destruction. The present work focuses on the research of the relationships of groundwater and groundwater dependent ecosystems and is applied to the coastal ecosystem of the Rhodope region. Similar ecosystems are very common along the Mediterranean coasts and this methodology has a significant contribution for their protection. Specifically, the objective of the PhD thesis is to conceptualize the interactions of various water bodies in the study area, i.e. lake water (Ismarida Lake), river water (Vosvozis River), groundwater (Neon Sidirochori Aquifer) and seawater, so as to be able to model the system and predict its responses under climate and land use change scenarios. Furthermore, the study aimed at providing all required management options in order to restore the deteriorating Groundwater Depended Ecosystem (GDE) of Ismarida Lake. Additionally, stakeholders’ involvement was established by informing them of the actual problems that the aquifer and the GDE are facing, and emphasizing on the crucial role they play in the protection of the water. Various seasonal Auto Regressive Integrated Moving Average (ARIMA) models with external predictor variables were used in order to model the influence of meteorological conditions and man intervention on the groundwater level time series. Initially, a seasonal ARIMA model that simulates the abstraction time series using as external predictor variable temperature (T) was prepared. Thereafter, seasonal ARIMA models were developed in order to simulate groundwater level time series in 8 monitoring locations, using the appropriate predictor variables determined for each individual case. The spatial component was introduced through the use of Geographical Information Systems (GIS). According to the developed ARIMA models, three distinct groups of groundwater level time series exist; the first one proves to be dependent only on the meteorological parameters, the second group demonstrates a mixed dependence both on meteorological conditions and on human intervention, whereas the third group shows a clear influence from man intervention. Moreover, there is evidence that groundwater abstraction has affected an important protected ecosystem. The method for flow path characterization involved the application of environmental isotopes and in particular stable isotopic composition (δ18O, δ2H) in combination with hydrogeological and hydro chemical data. Seasonal and spatial trends of water isotopes were studied and revealed that all water bodies in the study area interact. It was also shown that the aquifer’s increased salinity is not due to fossil water from past geological periods, as it was believed previously, but is attributed to brackish lake water intrusion into the aquifer induced by the extensive groundwater pumping for irrigation purposes. Quantification of the contribution of the lake to the aquifer was achieved using the simple dilution formula. The isotopic signatures of the seawater and the groundwaters are considerably different, so there is a very little possibility of direct seawater intrusion into the aquifer. Regarding management (social, economic and legal aspects), Multiple Attribute Value Theory (MAVT) was applied. MAVT was used to explore the preferences and beliefs of stakeholders for improving a degraded ecosystem. Various monetary and environmental criteria were evaluated with scores and weights by different stakeholder groups and key individuals such as farmers, fishermen, entrepreneurs, residents and ecologists to elicit their preferences concerning alternative protection scenarios. The objective was to propose policy recommendations for a sustainable water resources management for the case study area. The analysis revealed an overwhelming agreement among stakeholders regarding the dire need for immediate actions in order to preserve and enhance Vosvozis ecosystem.

Η αλληλεπίδραση των υπόγειων υδάτων και των οικοσυστημάτων που εξαρτώνται από τα υπόγεια ύδατα είναι μια σημαντική διαδικασία, η οποία επηρεάζει τη διαθεσιμότητα και την ποιότητα του νερού. Η έρευνα της αλληλεπίδρασης των υδάτινων σωμάτων είναι ζωτικής σημασίας για τη διατήρηση της υδρολογικής ισορροπίας, την προστασία του περιβάλλοντος και τη διασφάλιση της διαθεσιμότητας και της ποιότητας του νερού για τις μελλοντικές γενιές. Χωρίς αυτή τη διερεύνηση, υπάρχει κίνδυνος υπερεκμετάλλευσης, ρύπανσης και οικολογικής καταστροφής. Η παρούσα εργασία εστιάζει στην έρευνα των σχέσεων των υπόγειων υδάτων και των οικοσυστημάτων που εξαρτώνται από τα υπόγεια ύδατα και εφαρμόζεται στο παράκτιο οικοσύστημα της περιοχής της Ροδόπης. Παρόμοια οικοσυστήματα είναι πολύ διαδεδομένα κατά μήκος των ακτών της Μεσογείου και αυτή η μεθοδολογία έχει σημαντική συμβολή για την προστασία τους.Συγκεκριμένα, στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι η έρευνα και ο καθορισμός των αλληλεπιδράσεων διαφόρων υδάτινων σωμάτων σε ένα παράκτιο υγροτοπικό οικοσύστημα. Έτσι, διερευνήθηκε η αλληλεπίδραση του νερού της λίμνης Ισμαρίδας, του ποταμού Βοσβόζη, των υπόγειων υδάτων του υδροφορέα Νέου Σιδηροχωρίου και του θαλασσινού νερού, ώστε να είναι δυνατή η μοντελοποίηση του συστήματος και η πρόβλεψη των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής. Επιπλέον, η μελέτη στοχεύει στην παροχή όλων των απαιτούμενων επιλογών διαχείρισης για την αποκατάσταση του υποβαθμισμένου εξαρτώμενου από τα υπόγεια ύδατα οικοσυστήματος της λίμνης Ισμαρίδας. Επιπρόσθετα, ενημερώθηκαν οι εμπλεκόμενοι φορείς για τα πραγματικά προβλήματα που αντιμετωπίζει ο υδροφορέας και τα οικοσυστήματα που εξαρτώνται από τα υπόγεια ύδατα, τονίζοντας τον κρίσιμο ρόλο που διαδραματίζουν στην προστασία του νερού. Χρησιμοποιήθηκαν διάφορα εποχιακά μοντέλα Auto Regressive Integrated Moving Average (ARIMA) με εξωτερικές μεταβλητές πρόβλεψης προκειμένου να μοντελοποιηθεί η επίδραση των μετεωρολογικών συνθηκών και η ανθρώπινη παρέμβαση στις χρονοσειρές της στάθμης των υπόγειων υδάτων. Αρχικά, εκπονήθηκε ένα εποχιακό μοντέλο ARIMA που προσομοιώνει τις χρονοσειρές στάθμης χρησιμοποιώντας ως εξωτερικό προγνωστικό δείκτη τη θερμοκρασία (T). Στη συνέχεια, αναπτύχθηκαν εποχιακά μοντέλα ARIMA για την προσομοίωση χρονοσειρών στάθμης των υπόγειων υδάτων σε 8 θέσεις παρακολούθησης, χρησιμοποιώντας τις κατάλληλες μεταβλητές πρόβλεψης που καθορίζονται για κάθε μεμονωμένη περίπτωση. Η χωρική συνιστώσα εισήχθη μέσω της χρήσης Συστημάτων Γεωγραφικών Πληροφοριών (GIS). Σύμφωνα με τα αναπτυγμένα μοντέλα ARIMA, υπάρχουν τρεις διακριτές ομάδες χρονοσειρών στάθμης των υπόγειων υδάτων. Η πρώτη αποδεικνύεται ότι εξαρτάται μόνο από τις μετεωρολογικές παραμέτρους (εξαρτάται δηλαδή κυρίως από τη μεταβλητότητα του κλίματος), η δεύτερη ομάδα δείχνει μικτή εξάρτηση τόσο από τις μετεωρολογικές συνθήκες όσο και από την ανθρώπινη παρέμβαση, ενώ η τρίτη ομάδα δείχνει σαφή επιρροή από την ανθρώπινη παρέμβαση. Επιπλέον, υπάρχουν ενδείξεις ότι η άντληση υπόγειων υδάτων έχει επηρεάσει ένα σημαντικό προστατευόμενο οικοσύστημα. Η μέθοδος για τον χαρακτηρισμό της διαδρομής ροής αφορούσε την εφαρμογή περιβαλλοντικών ισοτόπων και ειδικότερα της ισοτοπικής σύστασης των σταθερών ισοτόπων (δ18Ο, δ2Η) σε συνδυασμό με υδρογεωλογικά και υδροχημικά δεδομένα. Μελετήθηκαν εποχικές και χωρικές τάσεις των ισοτόπων του νερού και αποδείχθηκε ότι όλα τα υδατικά συστήματα στην περιοχή μελέτης αλληλοεπιδρούν μεταξύ τους. Επίσης αποδείχθηκε ότι η αυξημένη αλατότητα του υπό μελέτη υδροφορέα δεν οφείλεται σε απολιθωμένα νερά προηγούμενων γεωλογικών περιόδων, όπως πίστευαν παλαιότερα, αλλά αποδίδεται σε διείσδυση υφάλμυρου νερού της λίμνης στον υδροφορέα που προκαλείται από την εκτεταμένη άντληση υπόγειων υδάτων για άρδευση. Η ποσοτικοποίηση της συνεισφοράς της λίμνης στον υδροφορέα επιτεύχθηκε χρησιμοποιώντας τον τύπο της απλής αραίωσης. Οι ισοτοπικές υπογραφές του θαλασσινού νερού και των υπόγειων υδάτων είναι σημαντικά διαφορετικές, επομένως υπάρχει πολύ μικρή πιθανότητα άμεσης διείσδυσης του θαλασσινού νερού στον υδροφόρο ορίζοντα. Όσον αφορά τη διαχείριση (κοινωνικές, οικονομικές και νομικές πτυχές), εφαρμόστηκε η Θεωρία Πολλαπλών Χαρακτηριστικών Αξίας (MAVT). Η MAVT χρησιμοποιήθηκε για τη διερεύνηση των προτιμήσεων και των πεποιθήσεων των ενδιαφερόμενων μερών για τη βελτίωση ενός οικοσυστήματος που υποβαθμίζεται. Διάφορα νομισματικά και περιβαλλοντικά κριτήρια αξιολογήθηκαν με βαθμολογίες και βάρη από διαφορετικές ομάδες ενδιαφερομένων φορέων, όπως αγρότες, ψαράδες, επιχειρηματίες, κατοίκους της περιοχής και οικολόγους, προκειμένου να προκύψουν οι προτιμήσεις τους σχετικά με εναλλακτικά σενάρια προστασίας. Ο στόχος ήταν να προταθούν πολιτικές συστάσεις για μια βιώσιμη διαχείριση των υδάτινων πόρων για την περιοχή μελέτης. Η ανάλυση αποκάλυψε μια συντριπτική συμφωνία μεταξύ των ενδιαφερομένων σχετικά με την επιτακτική ανάγκη για άμεσες ενέργειες για τη διατήρηση και την ενίσχυση του οικοσυστήματος της περιοχής μελέτης.