Ανάλυση και διερεύνηση της βιώσιμης διαχείρισης των υπόγειων νερών με μαθηματικά μοντέλα σε περιβάλλον GIS
Creators: name: Καβαλιεράτου, Σοφία
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2007
Subjects: Διαχείριση υδροφορέα
Αυτόματη ρύθμιση
Ανάλυση ευαισθησίας
Aquifer Management
Gauss levenberg marquardt

description: Αντικείμενο της διατριβής αυτής είναι η διερευνητική ανάλυση της διαδικασίας κατάρτισης ενός μαθηματικού μοντέλου υπόγειων νερών και της εφαρμογής του για τη διαχείριση ενός υδροφορέα, με στόχο τον εντοπισμό και την αντιμετώπιση σφαλμάτων που συχνά πραγματοποιούνται και οδηγούν σε τελείως λανθασμένα αποτελέσματα. Η διερεύνηση πραγματοποιείται μέσω της κατάρτισης κι εφαρμογής ενός μοντέλου για τη διαχείριση των υπόγειων νερών της πεδιάδας Πιερίας. Το μοντέλο που αναπτύχθηκε καλύπτει μια έκταση 256 km2, προσομοιώνει διδιάστατη μη μόνιμη ροή και αποτελείται από 1759 ενεργά κελιά, διαστάσεων 350m x 350m. Για την κατάρτισή του χρησιμοποιήθηκαν τα προγράμματα MODFLOW 2000, Argus-ONE, ArcGIS και PEST. Για την περιγραφή της χωρικής δομής των υδρογεωλογικών παραμέτρων του υδροφορέα, χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος διαχωρισμού κάθε παραμέτρου σε ζώνες ίσης τιμής. Οι τιμές των 25 υδρογεωλογικών παραμέτρων προσδιορίστηκαν κατά τη ρύθμιση του μοντέλου. Η ρύθμιση έγινε με τη μέθοδο Gauss-Levenberg-Marquardt και βασίστηκε σε μηνιαία δεδομένα της περιόδου Σεπτεμβρίου 1992 - Απριλίου 1995 (1173 παρατηρήσεις φορτίου σε 43 γεωτρήσεις της περιοχής και 26 παρατηρήσεις παροχής των πηγών Δίου). Η αξιολόγηση του μοντέλου στηρίχτηκε σε στατιστικές παραμέτρους και γραφικές παραστάσεις διαφόρων μορφών των αποτελεσμάτων. Από την αξιολόγηση προέκυψε ότι το μοντέλο προσομοιώνει ικανοποιητικά τη λειτουργία του φυσικού συστήματος. Με την ανάλυση ευαισθησίας ελέγχθηκε η επίδραση των 38 παραμέτρων του μοντέλου (25 υδρογεωλογικών παραμέτρων και 13 παραμέτρων παροχών εμπλουτισμού). Για την επαλήθευση του μοντέλου χρησιμοποιήθ καν μηνιαία δεδομένα της περιόδου Μαΐου 1995 - Αυγούστου 1995 (118 παρατηρήσεις φορτίου και 4 παρατηρήσεις παροχής των πηγών). Με την επαλήθευση επιβεβαιώθηκαν τα συμπεράσματα της ρύθμισης και της ανάλυσης ευαισθησίας. Το μοντέλο εφαρμόστηκε για την πρόβλεψη του φορτίου του υδροφορέα, για τρία έτη (Σεπτέμβριος 1995 - Αύγουστος 1998), με στόχο τον έλεγχο δύο σεναρίων διαχείρισης που αφορούσαν τις αντλήσεις για την κάλυψη των αρδευτικών αναγκών της περιοχής. Από τη διερεύνηση των σταδίων ανάπτυξης κι εφαρμογής του μοντέλου της Πιερίας προέκυψαν επιμέρους συμπεράσματα που αφορούν: την επιλογή της χωρικής και χρονικής διακριτοποίησης, τη διάρκεια επίδρασης της αρχικής συνθήκης, την επίδραση της οριακής συνθήκης γνωστού φορτίου στο υδατικό ισοζύγιο του μοντέλου, στη ρύθμισή του και στην πρόβλεψη της μελλοντικής αντίδρασης του συστήματος, τον προσδιορισμό του αριθμού και του σχήματος των ζωνών ίσης τιμής των υδρογεωλογικών παραμέτρων, την επιλογή των κριτηρίων σύγκλισης της μεθόδου επίλυσης της εξίσωσης υπόγειας ροής. Από την ανάλυση της συνολικής διαδικασίας κατάρτισης μοντέλων υπόγειων νερών με τη βοήθεια σύγχρονων πακέτων λογισμικού, προκύπτει ότι: όλες οι διαδικασίες που γίνονται αυτόματα (π.χ. παρεμβολές σε μετρήσεις) και όλες οι προεπιλογές του λογισμικού κατάρτισης πρέπει να ελέγχονται και ο χρήστης να γνωρίζει τον τρόπο λειτουργίας τους και το θεωρητικό τους υπόβαθρο. Διαφορετικά, τα αποτελέσματα του μοντέλου μπορεί να είναι αληθοφανή αλλά λανθασμένα και οι αποφάσεις διαχείρισης που θα στηριχτούν σ' αυτά μπορεί να είναι καταστροφικές
description: The objective of this dissertation is a critical review of all the stages required for the development of a sound groundwater mathematical model and for its implementation for the sustainable management of an aquifer. Towards this objective a groundwater model is developed and implemented for the management of the Pieria aquifer, Greece. The model which was developed for the Pieria aquifer is a two-dimensional transient flow model. It covers an area of 256 km2 and it has 1759 active cells, with a size of 350 m X 350 m each. Software packages which were used for the construction of the model are: MODFLOW 2000, Argus ONE, ArcGIS and PEST. The zonation method was used for the description of the hydrogeologic parameters' spatial variability. The values of the 25 hydrogeologic parameters resulted from the calibration process. The model was calibrated against 1173 piezometric head observations and 26 spring flow observations with the Gauss-Levenberg-Marquardt method. The piezometric head and the spring flow observations were collected from September 1992 to April 1995, on a monthly basis. Both qualitative and quantitative criteria were used for the evaluation of the calibrated model. The results which we obtained show that the model represents adequately the simulated system. The effect of the 38 model parameters (25 hydrogeologic and 13 recharge parameters) was examined with the sensitivity analysis process. A second set of monthly data (118 head observations and 4 spring discharge observations, from May 1995 to August 1995) were used for the validation of the calibrated model. The validation process verified that the calibrated model describes accurately the water dynamics of the Pieria aquifer. Finally, the calibrated model was applied for a period of 3 years to assess the consequences of two pumping scenarios concerning the location of irrigation wells. The analysis of the modelling process led to conclusions referring to: the spatial and temporal discretization, the influence of the initial piezometric head distribution, the effect of the known head boundary condition on the water balance, on the calibration process and on the prediction of the system response, the implementation of the zonation method, the convergence criteria of the method used for the solution of the groundwater flow equation. The overall conclusion is that software's automated procedures for data handling and parameter default values can mislead the development of a groundwater model. Appropriate interpolation techniques and parameter values are problem depended and should be decided after investigation