Εφαρμογή γεωπληροφορικών συστημάτων μαθηματικών μοντέλων και γενετικών αλγορίθμων στη διερεύνηση της επικινδυνότητας υπόγειων υδροφορέων
Authors: Σεβαστάς Στέφανος 
Published: April 2024

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εντάσσεται στον ευρύτερο επιστημονικό τομέα των Γεωεπιστημών και του Γεωπεριβάλλοντος και ειδικότερα στη γνωστική περιοχή/θεματολογία της Περιβαλλοντικής Υδρογεωλογίας, που σχετίζεται με τους υπόγειους υδατικούς πόρους και αναφέρεται στη διαφύλαξη του απαραίτητου επιπέδου ποιότητάς τους. Βασικό σκοπό της παρούσας έρευνας αποτελεί η ανάπτυξη μιας πρωτότυπης και συγχρόνως αξιόπιστης μεθοδολογίας, η οποία αποσκοπεί στην ενδελεχή διερεύνηση και βελτιστοποίηση της εκτίμησης της Επικινδυνότητας των υπόγειων υδροφόρων συστημάτων. Η μεθοδολογία που αναπτύσσεται, συνίσταται στο συνδυασμό μιας ευρύτατα διαδεδομένης μεθόδου υπολογισμού της Τρωτότητας, γνωστής ως DRASTIC, με σύγχρονα και αξιόπιστα εργαλεία όπως: α) Γεωπληροφοριακά Συστήματα (Συστήματα Γεωγραφικών Πληροφοριών και Τηλεπισκόπιση), β) Μαθηματικά Μοντέλα Προσομοίωσης του κύκλου του νερού, δηλαδή υδρολογικά και υδρογεωλογικά μοντέλα, καθώς και γ) Γενετικούς Αλγόριθμους. Πιο συγκεκριμένα, τα αποτελέσματα των μαθηματικών μοντέλων προσομοίωσης, δηλαδή η κατείσδυση από το υδρολογικό μοντέλο, το βάθος του υπόγειου νερού και η υδραυλική αγωγιμότητα από το μοντέλο υπόγειας ροής, χρησιμοποιούνται ως δεδομένα εισόδου στη μέθοδο εκτίμησης της Τρωτότητας DRASTIC. Παράλληλα, η παράμετρος των Χρήσεων Γης προστίθεται στη μέθοδο DRASTIC, λαμβάνοντας έτσι υπόψη την επίδραση των ανθρωπογενών δραστηριοτήτων στην επίδραση της ποιότητας των υπόγειων υδάτων και δημιουργώντας το μοντέλο Επικινδυνότητας DRASTIC-LU. Επιπλέον, πραγματοποιείται βελτιστοποίηση των συντελεστών βαρύτητας, αλλά και της βαθμονόμησης των κλάσεων (διαστημάτων τιμών) της κάθε παραμέτρου της μεθόδου DRASTIC-LU, με χρήση Γενετικών Αλγορίθμων (μοντέλο DRASTIC-LU-GA) σε περιβάλλον κώδικα python, λαμβάνοντας υπόψη μετρημένες τιμές συγκέντρωσης νιτρικών, και επιχειρώντας τη μεγιστοποίηση της συσχέτισης μεταξύ των τιμών των νιτρικών και του δείκτη Επικινδυνότητας. Η πιλοτική εφαρμογή της προτεινόμενης μεθοδολογίας λαμβάνει χώρα στον υδροφορέα της λεκάνης απορροής του Άνω Ανθεμούντα Χαλκιδικής, μία περίπτωση υδροφορέα που χαρακτηρίζεται από σημαντικά ποιοτικά προβλήματα, τα οποία είναι άρρηκτα συνδεδεμένα με την εντατικοποίηση των αγροτικών δραστηριοτήτων στην περιοχή και στη μεγάλη χρήση των λιπασμάτων. Το υδρολογικό μοντέλο που εφαρμόστηκε στην περιοχή μελέτης είναι το SWAT, το οποίο προσομοιώνει τις συνθήκες που αφορούν στα επιφανειακά ύδατα της λεκάνης. Έπειτα από την επιτυχημένη βαθμονόμηση του μοντέλου, σύμφωνα με τα κριτήρια που επιλέχθηκαν, τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η εξατμισοδιαπνοή αποτελεί το σημαντικότερο παράγοντα του συνολικού υδρολογικού ισοζυγίου και ότι η επιφανειακή απορροή στη λεκάνη είναι άμεσα συνυφασμένη με τις βροχοπτώσεις. Οι διεργασίες που αφορούν τις ροές των υπογείων υδάτων στην περιοχή μελέτης, προσομοιώθηκαν με τη χρήση του μοντέλου υπόγειας ροής MODFLOW. Το μοντέλο ρυθμίστηκε επιτυχώς, σύμφωνα με όλα τα κριτήρια που τέθηκαν και τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η κατανομή του υδραυλικού φορτίου ακολουθεί μια γενική διεύθυνση A – Δ και συμβαδίζει με την τοπογραφία του εδάφους. Επίσης, το μεγαλύτερο μέρος του εμπλουτισμού του υδροφόρου συστήματος πραγματοποιείται από την επιφανειακή κατείσδυση (βροχοπτώσεις), ενώ η απομάκρυνση νερού από τον υδροφορέα συνίσταται κατά κύριο λόγο από τις αντλήσεις που λαμβάνουν χώρα στην περιοχή για την κάλυψη, κυρίως, των αρδευτικών αναγκών. Η αξιολόγηση της εφαρμογής στην περιοχή μελέτης των μοντέλων της Τρωτότητας (DRASTIC) και Επικινδυνότητας (DRASTIC-LU) εξετάστηκε με τη συσχέτιση μεταξύ των τιμών του δείκτη Τρωτότητας και των συγκεντρώσεων νιτρικών αλάτων, που εκφράζεται με το συντελεστή συσχέτισης Spearman (rho). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τόσο το μοντέλο DRASTIC όσο και το μοντέλο DRASTIC-LU, δεν παρουσίασαν ικανοποιητική συσχέτιση με τις συγκεντρώσεις των νιτρικών. Αντίθετα, το μοντέλο DRASTIC-L-GA που αναπτύχθηκε με την εφαρμογή μιας διαδικασίας βελτιστοποίησης πλήρως βασισμένης σε Γενετικούς Αλγόριθμους, παρέχει εξαιρετικά ικανοποιητικές τιμές συσχέτισης, γεγονός που το καθιστά ως το πλέον κατάλληλο μοντέλο εκτίμησης Επικινδυνότητας για την περιοχή μελέτης. Εν τέλει, με βάση τη δημιουργία του τελικού χάρτη εκτίμησης της Επικινδυνότητας για την περιοχή μελέτης, που παράχθηκε από την εφαρμογή του μοντέλου DRASTIC-LU-GA, προκύπτει ότι μια υδρευτική γεώτρηση εντοπίζεται εντός της ζώνης υψηλής Επικινδυνότητας του Υδροφορέα. Συνεπώς, προτείνεται η συγκεκριμένη υδρογεώτρηση να τεθεί υπό καθεστώς τακτικής παρακολούθησης, με σκοπό την εξασφάλιση της ποιότητας του πόσιμου νερού.