Τεχνική προστασίας υδροφορέων από την δράση της θαλάσσας
Authors: Αρβανιτίδου Σταματία 
Published: August 2021

Ο κίνδυνος της υποβάθμισης των παράκτιων υδατικών πόρων από την αέναη δράση της θάλασσας σε αυτούς είναι εν δυνάμει υπαρκτός σε όλους τους παράκτιους υδροφορείς. Η ανάγκη δημιουργίας επιχειρησιακών εργαλείων βέλτιστης διαχείρισης της ζήτησης σε υπόγειους υδατικούς πόρους και εξασφάλισης της βιωσιμότητας των παράκτιων υδροφορέων από τον κίνδυνο της υφαλμύρισης στάθηκε η αφορμή για την παρούσα διατριβή. Στην παρούσα διατριβή έγινε η ανάπτυξη και η αριθμητική επίλυση ενός μαθηματικού μοντέλου πρόγνωσης της συμπεριφοράς ενός παράκτιου υδροφορέα κάτω από διάφορες συνθήκες οι οποίες παρεμβάλλονται στην αδιατάρακτη φυσική κατάσταση της ροής. Το αριθμητικό αυτό εργαλείο προσομοίωσης της ροής σε ένα παράκτιο υδροφορέα βασίστηκε σε κατάλληλες παραδοχές, οι οποίες εξασφαλίζουν την αξιοπιστία και την ακρίβειά του στην πρόβλεψη της διείσδυσης αλμυρού νερού από την ακτή στον υδροφορέα, χωρίς όμως να χάνεται η επιχειρησιακή του εφαρμοσιμότητα λόγω βεβαρυμμένου υπολογιστικού φόρτου και υπερβολικών απαιτήσεων σε υδρογεωλογικά δεδομένα.Το μαθηματικό μοντέλο (SISWIM) που αναπτύχθηκε βασίζεται σε δύο βασικές παραδοχές των στρωματωμένων ροών, την παραδοχή της απότομης διεπιφάνειας ανάμεσα στις δύο φάσεις γλυκού και αλμυρού νερό, καθώς και στη παραδοχή της σχεδόν οριζόντιας ροής κατά τον Dupuit.Η ακρίβεια και η αξιοπιστία του μοντέλου SISWIM γίνεται μέσα από την επίδειξη της ταύτισης των αποτελεσμάτων του με μία σειρά γνωστών αναλυτικών λύσεων, ενώ ακολουθεί και σύγκριση μίας εφαρμογής με μία πειραματική συσκευή Hele-Shaw, κατά την οποία εξετάζεται η προώθηση της αλμυρής σφήνας με το χρόνο.Για τη δημιουργία ενός επιχειρησιακού εργαλείου χάραξης βέλτιστων πολιτικών διαχείρισης πολλαπλών αντλητικών συστημάτων το αριθμητικό μοντέλο προσομοίωσης SISWIM συνδυάστηκε με μία εξελικτική μέθοδο βελτιστοποίησης, τη μέθοδο των Γενετικών Αλγορίθμων (GAs), η οποία ανήκει στις σύγχρονες μεθευρετικές μεθόδους βελτιστοποίησης. Η μέθοδος των GAs είναι ευέλικτη στην κατάστρωση της αντικειμενικής συνάρτησης και δεν βασίζεται σε πολύπλοκες μαθηματικές εξισώσεις. Επιπλέον είναι κατάλληλη για την επίλυση μη γραμμικών προβλημάτων βελτιστοποίησης.Η μέθοδος των Γενετικών Αλγορίθμων είναι μια μαθηματική απομίμηση της φυσικής διεργασίας της εξέλιξης των ειδών η οποία στηρίζεται στη διαδικασία της φυσικής επιλογής σύμφωνα με τη δαρβινική θεωρία. Έχει πολύ ευρύ φάσμα εφαρμογών, ειδικά σε περιπτώσεις όπου οι αντικειμενικές συναρτήσεις παρουσιάζουν πολλά τοπικά ακρότατα ή ασυνεχείς παραγώγους και μπορεί να δώσει λύσεις εκεί που άλλες συμβατικές μέθοδοι τοπικής έρευνας αποτυγχάνουν.Το συνδυαστικό μοντέλο βελτιστοποίησης Ev-SISWIM επιλύει μόνιμα φαινόμενα ροής αλλά και μη μόνιμα σε χρονική κλίμακα δεκαετιών, ενώ η βελτιστοποίηση των πολλαπλών απολήψεων από παραγωγικά φρέατα σε έναν παράκτιο υδροφορέα βασίζεται στον υδροδυναμικό έλεγχο της θέσης της αλμυρής σφήνας και στην γεωμετρία της διεπιφάνειας γλυκού-αλμυρού νερού.Κατάστρωση των εξισώσεων της υπόγειας ροής δύο μη αναμίξιμων υγρών Στη διατριβή περιγράφεται αναλυτικά η κατάστρωση των εξισώσεων της σχεδόν οριζόντιας ροής κατά την παραδοχή Dupuit δύο μη αναμίξιμων υγρών οι οποίες συνδέονται μεταξύ τους μέσα από την οριακή συνθήκη που ισχύει στην διεπιφάνεια, επάνω στην οποία θεωρείται κοινή υδροστατική πίεση και για τις δύο φάσεις γλυκού και αλμυρού νερού. Οι δύο συζευγμένες εξισώσεις ροής για το γλυκό και το αλμυρό νερό είναι γνωστές στην επιστήμη της υδραυλικής ως παραβολικές εξισώσεις και στην παρούσα διατριβή επιλύονται με τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών. Για την αριθμητική τους επίλυση διαχωρίζονται σε δύο κατηγορίες υδροφορέων, ελεύθερους και υπό πίεση. Για τους υπό πίεση υδροφορείς αναπτύχθηκαν δύο μαθηματικοί αλγόριθμοι επίλυσης από τους οποίους ο πρώτος είναι πιο γενικευμένος και μπορεί να περιγράψει και περιπτώσεις υπό πίεση υδροφορέα, στις οποίες δεν παρατηρείται εκροή γλυκού νερού στη θάλασσα. Με την ανάπτυξη των δύο παραπάνω αλγορίθμων καλύπτεται μεγάλο πλήθος περιπτώσεων παράκτιων υδροφορέων υπό πίεση. Συνδυαστικό μοντέλο βέλτιστης διαχείρισης παράκτιων υδροφορέων Ev-SISWIMΗ υφαλμύριση σε έναν παράκτιο υδροφορέα είναι ένα έντονα μη γραμμικό φαινόμενο και με πολυπλοκότητα αυξανόμενη σε προβλήματα βελτιστοποίησης παράκτιων υδροφορέων. Βασικό πλεονέκτημα της μεθόδου των GAs είναι ότι ανταποκρίνεται πολύ καλά σε πολύπλοκα προβλήματα βελτιστοποίησης, χωρίς να χρειάζεται γραμμικοποίηση του προβλήματος. H δυνατότητα σύνδεσης της μεθόδου των GAs με το μοντέλο προσομοίωσης της ροής SISWIM οδηγεί στη δημιουργία του επιχειρησιακού εργαλείου λήψης αποφάσεων για τη διαχείριση πολύπλοκων αντλητικών συστημάτων, Ev-SISWIM. Τα σενάρια βελτιστοποίησης που μπορούν να μελετηθούν με το μοντέλο Ev-SISWIM αφορούν την μελέτη της εξέλιξης του φαινομένου από μία αρχική κατάσταση έως το πέρας κάποιων δεδομένων ετών και περιλαμβάνουν εποχική λειτουργία παραγωγικών φρεάτων αλλά και υδραυλικών τεχνικών αύξησης της βιώσιμης απόδοσης ενός υδροφορέα.Διερευνητικές και επιχειρησιακές εφαρμογές των μοντέλων SISWIM & Ev-SISWIMΣτο κεφάλαιο 5 έγιναν κάποιες διερευνητικές εφαρμογές με σκοπό να αναδείξουν κρίσιμα σημεία τα οποία θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη στη βιώσιμη διαχείριση παράκτιων υδροφορέων. Τα βασικότερα σημεία που αξίζουν αναφοράς συνοψίζονται παρακάτω:Πληροφορίες για το βάθος του πυθμένα, την τοπογραφία του, τα γεωμετρικά όρια και τις οριακές συνθήκες αποδεικνύεται ότι είναι απαραίτητες για την ορθή καταγραφή αλλά και πρόβλεψη της υφαλμύρισης. Επίσης η οριζόντια κατανομή της διαπερατότητας επηρεάζει τη συμπεριφορά του υδροδυναμικού συστήματος, καθώς επηρεάζει υδραυλικά χαρακτηριστικά του, όπως η κλίση της ελεύθερης επιφάνειας, η πτώση στάθμης και η ειδική παροχή. Επομένως, κατά τον σχεδιασμό ενός παράκτιου συστήματος φρεάτων άντλησης θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η κατανομή της. Ένα σύστημα ενεργών φρεάτων μπορεί να προστατεύεται από τη θάλασσα εάν επιλεγεί να κατασκευαστεί σε περιοχή όπου η ζώνη που έρχεται σε επαφή με την ακτή έχει μικρή διαπερατότητα, ώστε το έδαφος να λειτουργεί ως φράγμα, ενώ τα παραγωγικά φρέατα θα πρέπει να τοποθετούνται σε περιοχές μεγάλης διαπερατότητας.Για την προστασία ενός υδροφορέα από την διείσδυση αλμυρού νερού υπάρχουν διάφορες τεχνικές υδραυλικών παρεμβάσεων. Η επιλογή της θέσης φρεάτων επαναφόρτισης όσο και η παροχή τους είναι κρίσιμοι παράγοντες στην πρόληψη της άντλησης αλμυρού νερού και θα πρέπει να επιλέγεται ο βέλτιστος συνδυασμός παροχής και θέσης φρέατος, ώστε τέτοιου είδους παρεμβάσεις στη λειτουργία παραγωγικών φρεάτων να έχουν οικονομικό και λειτουργικό όφελος. Επίσης η χρήση καναλιών επαναφόρτισης παράκτιων υδροφορέων με σκοπό την προστασία τους από την δράση της θάλασσας και κατά συνέπεια την ασφαλή λειτουργία παραγωγικών φρεάτων πρέπει να γίνεται έπειτα από μελέτη σκοπιμότητας, λαμβάνοντας υπόψη τη θέση του καναλιού, το συνολικό μήκος αλλά και τη συνολική παροχή επαναφόρτισης, ώστε αυτή η βοηθητική παρέμβαση, εκτός από την προστασία του υδροφορέα να ικανοποιεί και κοινωνικοοικονομικές παραμέτρους.Τέλος η απόληψη αλμυρού νερού ως μέθοδος παρεμβολής στη ροή της θάλασσας προς το ενεργό φρέαρ θα μπορούσε να χαρακτηριστεί ευνοϊκότερη από τη μέθοδο φρέατος επαναφόρτισης, αφού ένα φρέαρ απόληψης αλμυρού νερού δύναται να σταματήσει τη ροή της θάλασσας προς την ξηρά με μικρότερη απαιτούμενη παροχή. Αυτή η τεχνική μέθοδος στοχεύει στην άμεση παρέμβαση στη στρώση του αλμυρού νερού.Η υφαλμύριση είναι ένα δύσκολα αναστρέψιμο φαινόμενο, εξαιτίας της καθυστερημένης απόκρισης της διεπιφάνειας, που απειλεί την βιώσιμη λειτουργία ενός παράκτιου υδροφορέα και κάθε στρατηγικό πλάνο διαχείρισης θα πρέπει να περιλαμβάνει σενάρια για την πρόληψη του φαινομένου καθώς η εξυγίανση ενός υδροφορέα από την υφαλμύριση τον καθιστά μη παραγωγικό και αφορά διαχειριστικά πλάνα κλίμακας δεκαετιών. Χρονικές μεταβολές στις οριακές συνθήκες οι οποίες συνδέονται τόσο με κλιματικά φαινόμενα όσο και με πιθανές συνέπειες τις κλιματικής αλλαγής θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη σε μελέτες παράκτιων υδροφορέων οι οποίες έχουν χρονικό ορίζοντα πολλών δεκαετιών αφού αποδεικνύεται από τις εφαρμογές του 5ου κεφαλαίου ότι επηρεάζουν τη συμπεριφορά της αλμυρής σφήνας.Η ελεύθερη επιφάνεια ανταποκρίνεται άμεσα στις μεταβολές της ροής λόγω άντλησης, σε αντίθεση με τη διεπιφάνεια της οποίας οι μεταβολές θέσης παρουσιάζουν μακρά καθυστέρηση σε σχέση με την αιτία που τις προκαλεί, είναι μακροπρόθεσμες και αφορούν μακράς διαρκείας παρεμβολές στη ροή, σχεδόν μόνιμες. Το παραπάνω συμπέρασμα για τη διεπιφάνεια αφορά το μήκος διείσδυσης του αλμυρού νερού, διότι σε αντίθεση με τη δυσκολία να προκληθεί μετακίνηση του πόδα της σφήνας η γεωμετρία της διεπιφάνειας μπορεί να αλλάξει πολύ εύκολα με εποχικές μεταβολές στην άντληση, όταν αυτή γίνεται σε περιοχές πάνω από τη διεπιφάνεια. Συνεπώς είναι προς την πλευρά της ασφάλειας να τοποθετούνται τα φρέατα απόληψης σε θέσεις πέρα από τον πόδα της σφήνας.Στη διατριβή έγιναν δύο εφαρμογές του αλγορίθμου βελτιστοποίησης Ev-SISWIM που αφορούν πραγματικούς υδροφορείς. Στην πρώτη διερευνητική εφαρμογή η οποία έγινε στον υδροφορέα στο βαθύ της Καλύμνου αποδείχθηκε η δυνατότητα εφαρμογής του μοντέλου σε προβλήματα βελτιστοποίησης που αφορούν πραγματικούς υδροφορείς και συνδυάζουν τη δυνατότητα εύρεσης της μέγιστης παραγωγικής ικανότητας ενός υδροφορέα με ενίσχυση των αποθεμάτων του. Στη δεύτερη επιχειρησιακή εφαρμογή του Ev-SISWIM η οποία αφορά το φρεάτιο τμήμα υδροφορέα στην Επανομή του νομού Θεσσαλονίκης παρουσιάζεται με λεπτομέρεια η διαδικασία κατάστρωσης ενός πολύπλοκου προβλήματος βελτιστοποίησης στο οποίο αναζητείται ο βέλτιστος συνδυασμός φρεάτων λειτουργίας μέσα από τον υδροδυναμικό έλεγχο της αλμυρής σφήνας στον παράκτιο υδροφορέα με προβλήματα υφαλμύρισης. Βασικό στοιχείο στην κατάστρωση του μοντέλου αποτελεί η απλουστευμένη δομή του χρωμοσώματος στο οποίο το κάθε γονίδιο είναι ακέραιος αριθμός και η τιμή του αποκωδικοποιείται σε δύο μεταβλητές απόφασης. Αυτή η επιλογή έχει ως αποτέλεσμα οικονομία στη μνήμη του υπολογιστή σε σχέση με τις συνηθισμένες μεθόδους απεικόνισης. Οι διακριτές μεταβλητές απόφασης απλουστεύουν το πεδίο εύρεσης πιθανών τιμών απορρίπτοντας εξ αρχής ανεπιθύμητες λύσεις. Τα βήματα της βελτιστοποίησης περιγράφονται αναλυτικά ώστε το κεφάλαιο 6 να μπορεί να χαρακτηριστεί ως εγχειρίδιο της διαδικασίας που θα πρέπει να ακολουθήσει κάποιος μελετητής μηχανικός για την χάραξη πολιτικών βιώσιμης διαχείρισης παράκτιων υδροφορέων, οι οποίοι δέχονται έντονες πιέσεις από εκατοντάδες ιδιωτικές γεωτρήσεις. Σημαντικό τμήμα της έρευνας αποτέλεσε ο καθορισμός της βέλτιστης μορφής της συνάρτησης αποτίμησης του γενετικού αλγόριθμου. Αυτή βασίζεται στην επιλογή των κατάλληλων ποινών και της αναγνώρισης της βαρύτητας που έχει η κάθε ποινή σε σχέση με τον στόχο της βελτιστοποίησης.Στη διατριβή χρησιμοποιήθηκαν κάποιες τεχνικές βελτίωσης του υπολογιστικού χρόνου στις οποίες περιλαμβάνονται και οι διακριτές μεταβλητές απόφασης αλλά και η αντιστοιχία των καλλιεργητικών ζωνών σε ένα ισοδύναμο φρέαρ και απλοποιούν τη διαδικασία της βελτιστοποίησης ώστε να καθιστούν το μοντέλο Ev-SISWIM επιχειρησιακά εφαρμόσιμο.Το μοντέλο Ev-SISWIM είναι ένα χρήσιμο εργαλείο βελτιστοποίησης μη γραμμικών προβλημάτων διαχείρισης παράκτιων υδροφορέων και μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά από ειδικούς επιστήμονες για τη χάραξη βιώσιμων στρατηγικών διαχείρισης υπόγειων συστημάτων τα οποία απειλούνται από την υφαλμύριση.