Ανάπτυξη και εφαρμογή νέων τεχνολογιών για την παρακολούθηση της υδρολογίας της ακόρεστης ζώνης

Abstract

The main objective of this thesis is the development of an integrated system for the continuous, real time and 3-D monitoring of the vadose zone hydrological processes in a cost- and energy-efficient way.These processes play a pivotal role in water resources management and the protection of the environment. Monitoring, predicting and modeling water storage, fluxes and solute transport through that zone can ameliorate risk assessment and treatment planning of contaminated areas and may lead to a better management and protection of the underlying aquifers. However, theoretical and experimental studies have shown that monitoring and characterizing the vadose zone is a demanding operation, especially when the research has to reach important depths, because of the complex, highly dynamic and non-linear nature of transport processes, and the inability of most of the available methods to capture processes, such as water storage and water flows, at those depths. The soil is a multiphase and heterogeneous system with unique microstructure in each point and behavioral patterns with limited resemblance on a spatial scale and for this reason, the understanding of spatial variability of the hydraulic parameters is necessary for predicting water flow in a system as heterogeneous as most soils. Therefore, continuous monitoring of water movement and moisture changes in the deeper parts of the unsaturated zone remains an important challenge and constitutes the biggest gap in the hydrology of this part of the subsurface, since continuous moisture measurements at important depths is not an easy task. The system described below comprises point and spatial sensors for use with TDR technology, as well as geophysical survey techniques such as, ground penetrating radar (GPR) and electrical resistivity tomography (ERT). The concept of using commercially available TDR sensors includes point sensor installation with very limited sampling volume and most of the time, soil modification such as, excavation. To increase the depth and sampling volume of soil moisture measurements, several custom spatial probes were designed and used for this very thesis, in conjunction with point sensors, in order to capture soil moisture profiles at depths greater than a few centimeters from the ground surface. Also, established and reliable geophysical survey techniques were used for a less detailed but more spatial depiction of the water movement in the subsurface. In that way, continuous monitoring of moisture changes both vertically, at important depths, and horizontally, in a 3D manner, is possible. Furthermore, in this thesis, the subsystems of sensors, excavation techniques and data processing are thoroughly examined, with particular emphasis on using and evaluating a specific one-dimensional numerical model for the conversion of initial TDR signal traces into soil moisture profiles along the sensor waveguides. Thus, the ultimate goal is to establish a methodological protocol to be used in similar field studies. The current thesis focuses on the development and assessment of the aforementioned system for the monitoring of the vadose zone processes in general and no emphasis is given to a specific application, in particular. The appropriate way of using this system will be decided according to the specific needs of each individual researcher. The developed technique could be used in a different set of applications, like, for example, for the optimization of irrigation and better crop management, in hydrometeorological studies and hydrometeorological stations, in artificial aquifer recharge systems, for waste management processes leakage monitoring, for soil liquefaction and subsidence monitoring, in technical studies and engineering projects, for water level measurements in rivers and torrents and for monitoring salinity changes of surface and subsurface water, just to name a few. The benefits and limitations of the integrated system in question, as well as its ability to record and depict soil moisture changes and waterfront movement through continuous measurements adequately, were assessed by means of a series of laboratory and field experiments. The laboratory experiments can enhance the perception of the scientific world about the role of soil heterogeneity in flows that take place in the unsaturated zone, however, a combination of laboratory and field measurements will probably provide the most convincing validation of conceptual and numerical models. For example, high permeability complex routes in highly heterogeneous soils cannot be sufficiently modeled numerically or reproduced with laboratory experiments. For this reason, carefully designed field experiments should be conducted in order for the scientists to improve the numerical models. Initially, the system was tested in an artificial laboratory column under controlled conditions of saturation, grain size, flow and temperature, in a series of experiments with variable levels of saturation and different water supply and drainage approaches. The results of these experiments served as a guide for the later application of the system in real field conditions in a series of different infiltration experiments with different water supply techniques and soil moisture changes and water movement monitoring approaches. Concisely, the goal of this thesis consists in testing the various methodologies and measurement techniques of the developed system in a variety of hydrological conditions. Finally, part of the experimental field results was introduced into a computer software package (HYDRUS-1D) in order to simulate the same experiment and validate its results. A summary overview of all the experiments and simulations conducted in this thesis is presented in the figure below.

Σκοπός της διατριβής είναι η ανάπτυξη και η παρουσίαση ενός ολοκληρωμένου συστήματος για τη συνεχή, τριδιάστατη και σε πραγματικό χρόνο παρακολούθηση των υδρολογικών διεργασιών που λαμβάνουν χώρα στην ακόρεστη ζώνη του εδάφους, με ένα φθηνό και ενεργειακά οικονομικό τρόπο. Οι διεργασίες αυτές παίζουν καθοριστικό ρόλο στη διαχείριση των υδάτινων πόρων και την προστασία του περιβάλλοντος. Η παρακολούθηση, η προσομοίωση και η πρόβλεψη της αποθήκευσης και της ροής του νερού, καθώς και της μετακίνησης των ρύπων μπορούν να οδηγήσουν στην καλύτερη διαχείριση και προστασία των υποκείμενων υδροφορέων και να βελτιώσουν την εκτίμηση επικινδυνότητας και τον σχεδιασμό αποκατάστασης ρυπασμένων εδαφών. Ωστόσο, θεωρητικές και πειραματικές έρευνες έχουν δείξει ότι λόγω της σύνθετης φύσης της, η μέτρηση των υδραυλικών ιδιοτήτων της ακόρεστης ζώνης είναι ένα δύσκολο εγχείρημα, το οποίο γίνεται ακόμα δυσκολότερο σε βαθύτερους εδαφικούς ορίζοντες, μιας και οι περισσότερες διαθέσιμες μέθοδοι δεν είναι κατάλληλες για την αποτύπωση διεργασιών, όπως η αποθήκευση και η ροή του νερού σε αυτά τα βάθη. Το έδαφος είναι ένα πολυφασικό και ετερογενές σύστημα με μοναδική μικροδομή σε κάθε σημείο του και συμπεριφορικά μοτίβα με περιορισμένη ομοιότητα σε χωρική κλίμακα και γι’ αυτό, η κατανόηση της χωρικής μεταβλητότητας των υδραυλικών παραμέτρων είναι απαραίτητη για την πρόβλεψη της κίνησης του νερού (μέτρο και κατεύθυνση) σε ένα σύστημα τόσο ετερογενές, όσο είναι τα περισσότερα εδάφη. Η συνεχής παρακολούθηση της κίνησης του νερού και των μεταβολών της εδαφικής υγρασίας σε βαθύτερα τμήματα της ακόρεστης ζώνης παραμένει λοιπόν, μία σημαντική πρόκληση και συνιστά το μεγαλύτερο κενό στην υδρολογία του τμήματος αυτού του υπεδάφους, καθώς συνεχόμενες μετρήσεις της εδαφικής υγρασίας σε σημαντικά βάθη δεν είναι εύκολο να πραγματοποιηθούν. Το σύστημα το οποίο θα περιγραφεί παρακάτω, περιλαμβάνει σημειακούς και χωρικούς αισθητήρες, οι οποίοι λειτουργούν με παλμογεννήτριες και χρησιμοποιούν την τεχνολογία ανακλασιμετρίας χρονικού πεδίου (TDR), καθώς και γεωφυσικές μεθόδους διασκόπησης του εδάφους, όπως είναι το γεωραντάρ (GPR) και η ηλεκτρική τομογραφία (ERT). Η τεχνολογία των εμπορικά διαθέσιμων αισθητήρων με παλμογεννήτριες περιλαμβάνει εγκατάσταση σημειακών αισθητήρων με πάρα πολύ μικρή διεισδυτική ικανότητα, η οποία τις περισσότερες φορές απαιτεί και τροποποίηση του εδάφους, όπως αναμόχλευση και εκσκαφή. Για την αύξηση του βάθους και του όγκου μέτρησης της εδαφικής υγρασίας, παράλληλα με τους σημειακούς αισθητήρες, κατασκευάστηκαν για τους σκοπούς της παρούσας διατριβής πρωτότυποι αισθητήρες μεγάλου μήκους για μέτρηση του προφίλ της εδαφικής υγρασίας σε βάθος μεγαλύτερο από λίγα εκατοστά και χρησιμοποιήθηκαν καθιερωμένες και αξιόπιστες γεωφυσικές μέθοδοι για τη λιγότερο λεπτομερή μεν, αλλά χωρική δε, αποτύπωση της κίνησης του νερού στο υπέδαφος. Με αυτόν τον τρόπο, υπάρχει η δυνατότητα συνεχούς παρακολούθησης των μεταβολών της εδαφικής υγρασίας σε σημαντικά βάθη, αλλά και χωρικά. Επιπλέον, θα περιγραφούν αναλυτικά τα υποσυστήματα των αισθητήρων, της επεξεργασίας και διαχείρισης των δεδομένων, καθώς και οι τεχνικές διάτρησης, ενώ ιδιαίτερη έμφαση δίνεται καθ’ όλη την έκταση της διατριβής στη χρησιμοποίηση και αξιολόγηση ενός συγκεκριμένου αλγορίθμου για τη μετατροπή των αρχικών σημάτων της τεχνικής TDR σε προφίλ εδαφικής υγρασίας κατά μήκος του εκάστοτε αισθητήρα. Απώτερος στόχος είναι δηλαδή, η σύσταση ενός μεθοδολογικού πρωτοκόλλου για παρόμοιου τύπου έρευνες. Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στην ανάπτυξη και αξιολόγηση του συγκεκριμένου συστήματος παρακολούθησης της υδρολογίας της ακόρεστης ζώνης, χωρίς να δίνεται έμφαση ωστόσο σε κάποια συγκεκριμένη εφαρμογή ή πεδίο εφαρμογών, μιας και ο τρόπος χρησιμοποίησης του θα εξαρτηθεί από τις ανάγκες του εκάστοτε αναγνώστη. Ενδεικτικά, η αναπτυχθείσα τεχνική θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί: Για τη βελτιστοποίηση της άρδευσης και την καλύτερη διαχείριση των καλλιεργειών Σε υδρομετεωρολογικές έρευνες (κλιματικοί σταθμοί) Σε συστήματα επιφανειακού τεχνητού εμπλουτισμού υδροφορέων Στην παρακολούθηση των διαρροών σε ΧΥΤΑ Στην παρακολούθηση διεργασιών ρευστοποίησης και εδαφικής υποχώρησης Σε τεχνικά έργα Σε υδρομετρήσεις χειμάρρων και ποταμών Στην παρακολούθηση μεταβολών αλατότητας των υπόγειων/επιφανειακών νερών Τα πλεονεκτήματα και οι περιορισμοί του εν λόγω συστήματος, καθώς και η ικανότητα του να καταγράφει και να απεικονίζει επαρκώς τις μεταβολές της εδαφικής υγρασίας και τις κινήσεις των μετώπων του νερού με συνεχείς μετρήσεις, αποτιμήθηκαν μέσα από μία σειρά πειραμάτων και μετρήσεων, τόσο σε εργαστηριακό περιβάλλον, όσο και στο πεδίο. Τα εργαστηριακά πειράματα μπορούν να βελτιώσουν την αντίληψη του επιστημονικού κόσμου για τον ρόλο της ετερογένειας της ακόρεστης ζώνης στις ροές που συμβαίνουν σε αυτήν, αλλά ένας συνδυασμός εργαστηριακών πειραμάτων και πειραμάτων πεδίου θα παρέχει την πιο πειστική επικύρωση εννοιολογικών και αριθμητικών μοντέλων. Για παράδειγμα, πολυσύνθετες οδοί υψηλής διαπερατότητας σε εξαιρετικά ετερογενή εδάφη είναι δύσκολο να μοντελοποιηθούν αριθμητικά ή με εργαστηριακά πειράματα. Γι’ αυτό, είναι πολύ σημαντική η διεξαγωγή προσεχτικά σχεδιασμένων πειραμάτων πεδίου για τη βελτίωση των αριθμητικών μοντέλων. Αρχικά, η δοκιμή του συστήματος πραγματοποιήθηκε σε τεχνητή στήλη στο εργαστήριο, σε απόλυτα ελεγχόμενες συνθήκες κορεσμού, κοκκομετρίας, ροής και θερμοκρασίας, σε μία σειρά πειραμάτων με μεταβαλλόμενες συνθήκες κορεσμού και διαφορετικές προσεγγίσεις εισαγωγής νερού και αποστράγγισης. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τα εργαστηριακά πειράματα λειτούργησαν ως οδηγός για τη μετέπειτα δοκιμή του συστήματος σε πραγματικές συνθήκες σε επιλεγμένη υπαίθρια περιοχή, σε μία σειρά πειραμάτων κατείσδυσης με διαφορετικές προσεγγίσεις εισαγωγής νερού και παρακολούθησης των μεταβολών της εδαφικής υγρασίας και της κίνησης του κατεισδύοντος νερού. Συνοπτικά, ο στόχος της διδακτορικής εργασίας είναι η χρησιμοποίηση των διάφορων μεθοδολογιών και τεχνικών μέτρησης του αναπτυχθέντος συστήματος σε μία μεγάλη γκάμα υδρολογικών μεταβολών. Τέλος, μέρος των πειραματικών αποτελεσμάτων πεδίου εισήχθησαν σε ειδικό πακέτο λογισμικού (HYDRUS-1D) με σκοπό την προσομοίωση του ιδίου πειράματος και την επικύρωση των αποτελεσμάτων του.