Groundwater flow simulation using the FeFLOW software, for the alluvial aquifer of Kastoria = Προσομοίωση της υπόγειας ροής του αλλουβιακού υδροφορέα της Καστοριάς με τη χρήση του κώδικα FeFLOW.

Περίληψη

This thesis deals with the groundwater resources management of Kastoria basin of Western Macedonia, Greece though the use of FeFLOW v.7.2 groundwater flow modelling package in conjunction with ARCGIS v.10.6 and MATLAB, which were used to manage all the data used in this thesis and also to prepare the input data in the structure and format required by FeFLOW. Kastoria basin houses an extensive alluvial aquifer system, which is of fluvio-torrential origin and consists of alternating layers of coarse and fine-grained layers of small spatial and vertical extent. Precipitation is the main recharge element of the aquifer, where a representative annual value for the former is 770 mm. The modelled area consisted of the main body of the alluvial aq-uifer as a 100 m thick layer. Such an environment provides an inherit uncertainty regarding to the hydraulic properties, to alleviate a part of this uncertainty a stochastic approach used through PEST. The groundwater flow model was successfully calibrated first manually and then finally by PEST in all aspects, yielding RMSE=0.758 for the entire transient simulation. The water bal-ance elements produced resemble those presented by previous studies. To further assess the evo-lution of the groundwater resources at Kastoria basin precipitation and temperature data of re-gional climate models were extracted from the EURO-CORDEX project, which provides the needed high spatial resolution (EUR-11) to spatially represent the future climate condition at the study area, for three 20 year long sub-periods between 2019-2078. After bias-correction of the 53 extracted EUR-11 region climate models, ten of those were selected and used further. Bias-correction was performed with the linear scaling method and monthly observed data of the 1986-2005 period. This showed improvements at the bias-corrected RCM data in comparison to raw data in representing observed patterns. The analysis presented that, as mean annual values, pre-cipitation will reduce by 6% while temperature will increase by 2.5°C throughout the projected period. Based on the selected RCM data, ten groundwater scenarios were simulated by feeding the bias-corrected RCM data to the calibrated groundwater flow model. In summary of the results of the former, the groundwater level will practically remain the same. Kastoria lake water level will drop, if left unchecked, due to higher evaporation, reduced precipitation and lower lateral flow from Kastoria alluvial aquifer reduction while surface runoff will slightly increase. This will lead to the reduction of the total runoff or discharge through the Gkioli stream by a mean an-nual value of 4.82 x 106 m3 or 9.2%. Finally, options to counter this change at the water balance of the basin were also proposed.
Keywords: FeFLOW, PEST, MATLAB, Groundwater Resources Management, EUROCORDEX, Regional Climate Models, RCM, ArcMAP, Kastoria basin, Water District GR 09, Alluvial Aqui-fer, Water Balanc, Groundwater Flow Simulation
 
Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με τη διαχείριση των υπόγειων υδάτων στη λεκάνη της Καστοριάς της Δυτικής Μακεδονίας με την χρήση του πακέτου προσομοίωσης ροής υπογείων υδάτων FeFLOW v.7.2 σε συνδυασμό με το ARCGIS v.10.6 και το MATLAB, τα οποία χρησιμοποιήθηκαν για τη διαχείριση όλων των δεδομένων που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτή τη διατριβή και επίσης στο να προετοιμαστούν τα δεδομένα εισόδου στη δομή και τη μορφή που απαιτεί το FeFLOW. Η βροχόπτωση είναι το κύριο στοιχείο εμπλουτισμού της λεκάνης, όπου μία αντιπροσωπευτική ετήσια τιμή για την πρώτη είναι ίση με 770 mm. Στη λεκάνη της Καστοριάς βρίσκεται ένα εκτεταμένο προσχωσιγενές σύστημα υδροφόρου, το οποίο έχει χειμμαρική προέλευση και τα πρώτα 100 μέτρα αποτελούνται από εναλλασσόμενα στρώματα από χονδρόκοκκα και λεπτόκοκκα ιζήματα μικρής χωρικής έκτασης. Η περιοχή προσομοίωσης αποτελείται από το κύριο σώμα του προσχωσιγενή υδροφορέα ως στρώμα πάχους 100 μέτρων. Ένα τέτοιο περιβάλλον παρέχει μια αβεβαιότητα σχετικά με τις υδραυλικές παραμέτρους, για να απαληφεί ένα μέρος αυτής της αβεβαιότητας χρησιμοποιήθηκε μια στοχαστική προσέγγιση με βάση το PEST. Το μοντέλο ροής των υπόγειων υδάτων ρυθμίστηκε με επιτυχία πρώτα με δοκιμασία προσπάθειας-λάθους και τελικά με το PEST, αποδίδοντας RMSE = 0,758 για ολόκληρη την προσομοίωση. Τα στοιχεία υδατικού ισοζυγίου που παράχτηκαν από την προσομοίωση είναι παρόμοια με εκείνα που παρουσιάστηκαν από προηγούμενες μελέτες. Για να αξιολογηθεί περαιτέρω η εξέλιξη του ισοζυγίου των υπογείων υδάτων στη λεκάνη της Καστοριάς, χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα, τριών υποπεριόδων 20 ετών για την περίοδο 2019-2078, των περιφερειακών κλιματικών μοντέλων του έργου EURO-CORDEX project, το οποίο παρέχει την απαιτούμενη υψηλή χωρική ανάλυση για τη χωρική αναπαράσταση της μελλοντικής κλιματικής κατάστασης στην περιοχή μελέτης. Μετά από τη διόρθωση των εξαγόμενων 53 κλιματικών μοντέλων, δέκα από αυτά επιλέχθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν περαιτέρω. Η διόρθωση των bias των κλιματικών μοντέλων έγινε με τη μέθοδο linear scaling και τα μηνιαία ιστορικά δεδομένα της περιόδου 1986-2005. Η διόρθωση παρουσίασε βελτιώσεις στα δεδομένα των κλιματικών μοντέλων σε σύγκριση με τα μη διορθωμένα δεδομένα. Το αποτέλεσμα της ανάλυσης είναι ότι η βροχόπτωση θα μειωθεί κατά μέσο όρο 6% ενώ η θερμοκρασία θα αυξηθεί κατά 2,5°C, καθ 'όλη την προβλεπόμενη περίοδο. Με βάση τα επιλεγμένα δεδομένα, προτάθηκαν δέκα σενάρια εξέλιξης των υπόγειων υδάτων του αλλουβιακού υδροφορέα της Καστοριάς. Συνοπτικά τα αποτελέσματα αυτών παρουσιάσαν ότι το επίπεδο των υπόγειων υδάτων θα παραμείνει ως επί το πλείστον το ίδιο. Η στάθμη του νερού της λίμνης της Καστοριάς θα ελλαττωθεί, εάν αφεθεί ανεξέλεγκτη, λόγω της υψηλότερης εξάτμισης, της μειωμένης βροχόπτωσης και της χαμηλότερης πλευρικής εισροής από τον αλλουβιακό υδροφορέα της Καστοριάς παρόλου που η επιφανειακή απορροή θα αυξηθεί ελαφρά. Αυτό θα οδηγήσει σε μείωση της συνολικής απορροής ή εκφόρτισης μέσω του ρέμματος Γκιόλι κατά μέσο ετήσιο όρο των 4.82 x 106 m3 or 9.2%. Τέλος, προτάθηκαν λύσεις για την αντιμετώπιση αυτής της αλλαγής στο υδάτινο ισοζύγιο της υπό μέλετης λεκάνης απορροής.
Λέξεις-κλειδιά: FeFLOW, PEST, MATLAB, Διαχείριση Υδατικών Πόρων, EUROCORDEX, Re-gional Climate Models, RCM, ArcMAP, Λεκάνη της Καστοριάς, Water District GR 09, Αλλουβιακός Υδροφορέας, Υδατικό Ισοζύγιο, Προσομοίωση της υπόγειας ροής