Simulation of groundwater flow using the MODFLOW code in the alluvial aquifer of Korisos basin, NW Greece.
Creators: name: Κίρλας, Μάριος Χρύσανθου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2015
Subjects: Υδρολογική λεκάνη Κορησού
Κώδικας MODFLOW
Προσομοίωση ροής υπόγειου νερού
Korisos basin
MODFLOW code
Simulation of groundwater flow

description: Η περιοχή έρευνας είναι η υδρολογική λεκάνη των Αγίων Αναργύρων (Κορησού) που βρίσκεται στον Νομό Καστορίας (Δυτική Μακεδονία), ανατολικά της πόλης και της λίμνης της Καστοριάς. Η περιοχή καταλαμβάνει έκταση 89,25 Km2 εκ των οποίων τα 24,6 Km2 αποτελούν την πεδινή έκταση και τα 64,65 Km2 αποτελούν την γύρω ορεινή έκταση. Στην περιοχή παρατηρείται ομοιόμορφη κατανομή της επιφάνειας στα διάφορα υψόμετρα. Το υψόμετρο κυμαίνεται από 649 m έως 1680 m (Όρος Κρόνος), με μέση τιμή 984 m και μέση κλίση 28,6%. Ο χείμαρρος Ξηροπόταμος (κύριος κλάδος του υδρογραφικού δικτύου), εκτιμήθηκε σε 5ης τάξης σύμφωνα με την κατάταξη κατά Horton (1945) και αποστραγγίζει την υδρολογική λεκάνη των Αγίων Αναργύρων. Το υδρογραφικό δίκτυο δενδριτικής μορφής της λεκάνης του Ξηροποτάμου είναι καλά ανεπτυγμένο και παρουσιάζει υψηλό συντελεστή διακλάδωσης. Από γεωλογικής άποψης η περιοχή έρευνας εντάσσεται γεωτεκτονικά στην Πελαγονική ζώνη. Η περιοχή αποτελείται λιθολογικά από τεταρτογενείς χερσαίες αποθέσεις (λιμναίες και ποταμοχειμάρριες αποθέσεις Ολοκαινικής και Πλειστοκαινικής ηλικίας) που καλύπτουν το κεντρικό τμήμα της λεκάνης (27,6% της συνολικής έκτασης) και από κρυσταλλοσχιστώδη πετρώματα (φυλλίτες, γνευσιακός πλουτωνίτης, γνεύσιοι και αμφιβολίτες) που καλύπτουν μεγάλο τμήμα της περιοχής έρευνας (72,4% της συνολικής έκτασης) και συνιστούν το Παλαιοζωικό κρυσταλλοσχιστώδες υπόβαθρο της Πελαγονικής ζώνης. Επίσης, στην ευρύτερη περιοχή διακρίνονται επτά τεκτοορογενετικές φάσεις (DHP and D1 to D6) κατά της διάρκεια της Αλπικής ορογένεσης. Η μέση ετήσια βροχόπτωση στην λεκάνη έρευνας ανέρχεται σε 663 mm (περίοδος 2004-2007) και η μεταβολή του υπερετήσιου ύψους βροχής με το υψόμετρο είναι 40,4 mm ανά 100 m. Η ολική βροχόπτωση είναι 61x106 m3 και η ολική απορροή ισούται με 16.73x106 m3. Στην λεκάνη της Κορησού αναπτύσσεται ένας υδροφορέας που αποτελείται από επάλληλα υδροφόρα στρώματα. Σύμφωνα με τα λιθολογικά προφίλ των γεωτρήσεων το πάχος των αλλουβιακών αποθέσεων κυμαίνεται από 20 m στο ανατολικό τμήμα της λεκάνης έως 140 m στο κεντρικό τμήμα της λεκάνης, και αυξάνεται από το βόρειο προς το νότιο τμήμα της ερευνούμενης υδρολογικής λεκάνης. Η τροφοδοσία του υδροφορέα γίνεται από την απευθείας κατείσδυση του νερού της βροχόπτωσης, από την διήθηση από τις κοίτες του υδρογραφικού δικτύου και από τις επιστροφές του νερού των αρδεύσεων. Τα αποτελέσματα από τους πιεζομετρικούς χάρτες δείχνουν ότι η διεύθυνση ροής του υπόγειου νερού είναι ΒΒΑ-ΝΝΔ καταλήγοντας στην λίμνη της Καστορίας. Επιπλέον, η μέση υδραυλική κλίση στην λεκάνη ισούται με 1.5x10-3. Όσον αφορά τις υδραυλικές παραμέτρους, η μέση υδραυλική αγωγιμότητα (k) είναι της τάξεως του 6.7×10-5 m/sec, ο συντελεστής μεταβιβαστικότητας (Τ) κυμαίνεται από 1.4×10-3 έως 1.0×10-2 m2/s και τέλος ο συντελεστής εναποθήκευσης (S) κυμαίνεται από 1.9×10-4 έως 9.3×10-3 όπως προέκυψε από την ανάλυση των αντλητικών δεδομένων. Γενικότερα, το υπόγειο νερό θεωρείται κατάλληλο τόσο για την κάλυψη των αρδευτικών αναγκών όσο και για οικιακή χρήση. Ο επικρατέστερος υδροχημικός τύπος για τα νερά των πηγών είναι ο ασβεστούχος οξυανθρακικός (Ca-HCO3). Κατά τόπους υψηλές καταγράφηκαν υψηλές συγκεντρώσεις νιτρικών ιόντων και αποδίδονται στη εντατική χρήση λιπασμάτων. Επίσης, καταγράφηκε μικρή αύξηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας στην κατάντη περιοχή, εξαιτίας της φόρτισης του νερού με άλατα κατά τη ροή του. Ο μαθηματικός κώδικας MODFLOW με την χρήση του λογισμικού GMS 7.1 εφαρμόστηκε στις τεταρτογενείς αποθέσεις της υδρολογικής λεκάνης της Κορησού σε συνθήκες μόνιμης ροής (steady state). Η πιεζομετρία της περιόδου του Μαΐου 2004 χρησιμοποιήθηκε για να προσδιορίσει τις αρχικές στάθμες στον κώδικα MODFLOW. Η ρύθμιση του μοντέλου σε συνθήκες μόνιμης ροής ήταν απόλυτα επιτυχής καθότι επιτεύχθηκε η ταυτόχρονη σύγκλιση των τιμών του φορτίου που υπολογίζεται από τον κώδικα MODFLOW με τις μετρημένες τιμές στην ύπαιθρο. Τέλος, η τιμή του μέσου τετραγωνικού σφάλματος RMSE (Root Mean Square Error), το οποίο εκφράζει με στατιστικό τρόπο την ακρίβεια της προσομοίωσης, υπολογίσθηκε στα 0,61 m. Η τιμή αυτή θεωρείται σχεδόν αποδεκτή και επιβεβαιώνει τον αρχικό στόχο για αποκλίσεις μικρότερες του ενός μέτρου μεταξύ των υπολογισμένων τιμών από τον κώδικα MODFLOW με τις μετρημένες τιμές στην ύπαιθρο.
description: The study area is the hydrological basin of Agioi Anargiroi (Korisos basin), which is extended at the Kastoria Prefecture (West Makedonia), eastern of the city and the lake of Kastoria. The study basin covers an area of 89.25 Km2, of which 24.6 Κm2 belong to lowlands and 64.65 Km2 belong to mountainous areas. The distribution of the study basin at the different elevations is regular. The altitude ranges from 649 m to 1680 m (Kronos Mountain) with a mean altitude value of 984 m above sea level and the mean slope is 28.6%. Xiropotamos torrent drains the basin and it is classified as fifth class (Horton’s classification, 1945). The hydrographic network in mountainous area is highly developed too. From a geological point of view the geological formations of the studied basin belong to Pelagonian geotectonic zone. The basin of Agioi Anargiroi is covered by quaternary deposits (27.6% of the area) in the lowlands and crystalline and metamorphic rocks (72.4% of the area) in the mountainous area. More specifically the lowlands are covered by recent deposits, whereas in the mountainous and semi-mountainous areas occur schists and phyllites at the southeastern part, granite-gneiss at the northern part of the basin and gneisses and amphibolites, which cover the largest part of the basin. In addition, seven deformational events (DHP and D1 to D6) occur in the broader area during the Alpine orogeny. The mean annual precipitation in the area of study amounts to 663 mm (period 2004- 2007) and increases by 40.4 mm per 100 m of ground elevation. The total rainfall is 61x106 m3 and the total runoff is equal to 16.73x106 m3. A productive unconfined aquifer is developed in the alluvial deposits, which consists of successive water bearing layers. Based on borehole lithological profiles the thickness of the alluvial deposits ranges from 20 m in the eastern part to 140 m in the central part of the basin and increases from the northern part to the southern part of the study area. The groundwater recharge in the alluvial unconfined aquifer occurs via the following mechanisms: the most important mechanism is via direct infiltration of rainfall, then via infiltration through torrent beds and finally via return flow of irrigated water. Groundwater flow is from north-eastward to south-westward toward the Kastoria Lake. Moreover, the mean hydraulic gradient (i) was 1.5x10-3, as was measured from the compiled piezometric maps. In Korisos basin the average hydraulic conductivity value (k) was 6.7×10–5 m/s, the transmissivity value (T) varied between 1.4×10-3 and 1.0×10-2 m2/s and the storage coefficient value (S) varied between 1.9×10-4 and 9.3×10-3. All the hydraulic parameters were deduced from the conducted pumping test analyses applying Theis and Jacob methods. Generally, the groundwater quality is suitable for irrigation use and domestic supplies. In the study area the predominant water type of groundwater is Ca-HCO3. Locally high nitrate concentrations were recorded, due to intensive agricultural activities. Furthermore, an increase of the electrical conductivity of the groundwater was generally observed from the recharge area to the downwards. The mathematical code MODFLOW with the use of GMS 7.1 software (free edition from Aquaveo) was applied in the Quarternary deposits of the area for steady state conditions. The piezometric surface of the period May 2004 was used to describe the initial heads in MODFLOW code. Model calibration carried out successfully as the deviations between the computed and the observed head values were insignificant and also as the Root Mean Square Error (RMSE) had a value of about 0.61 m (calibration target within ±1 m).