Προσομοίωση και διαχείριση υποβαθμισμένων υδατικών πόρων παράκτιων λεκανών απορροής

Abstract

The present Doctoral Thesis focuses on the Simulation and Management of Degraded Water Resources in Coastal Watersheds. The subject of research is the simulation of the quantitative and qualitative downgraded state of coastal water resources in rural watersheds, and their good management under climate change conditions, with the ultimate goals to improve and/or reverse the quantitative and qualitative downgrading, the adaptative management of coastal water resources under climate change, and the determination of the forward uncertainty of climate change in coastal water resources. The approach methodology is based on (a) the development of an Integrated Modelling System (IMS) of the seawater wedge and the nitrate pollution for coastal and rural watersheds, b) the design, implementation, and assessment of the impacts of irrigation and agronomic fertilization scenarios, (c) the design of water reservoir scenarios to meet water needs, (d) the simulation of the future status of water resources for each management scenario e) the definition of change in the components of the hydrological cycle in the future according to the climate models and the scenarios of the future climate (f) the definition of the uncertainty that propagates the simulation and the management of water resources due to uncertainties in the simulation of the future changing climate. The Integrated Modelling System (IMS) is structured by the coupled models of surface hydrology, UTHBAL, reservoir operation, UTHRL, groundwater hydrology, MODFLOW, nitrate leaching/crop growth, REPIC (EPIC in an innovative user interface with R-ArcGIS) nitrate transport, MT3DMS, seawater intrusion/salinization, SEAWAT, and also coupled with Global Circulation Models-GCMS and Regional Circulation Models from the Med-CORDEX Technical Model Database. Specifically, in the context of research, the surface hydrology simulation model, UTHBAL, and the reservoir operation simulation model, UTHRL, formulate a modelling sub-system of watersheds and reservoirs for irrigation, that has been optimized to calculate the area and the type of irrigated crops depending on the stored water volume of reservoirs aiming at future designs of irrigation networks. In the context of this research, the distributed REPIC model has also been developed, which is a user interface in R Language and/or ArcGIS Pro with the Agro-Hydrological-Agronomic model EPIC (Environmental Policy Integrated Climate Model).The assessment of the simulated status of coastal water resources is carried out by determining the variables of the precipice, temperature, surface runoff, groundwater pumping, groundwater levels, nitrate leaching by the use of fertilizers, nitrate concentrations, and seawater intrusion/salinization. The performance of irrigation and fertilization scenarios is estimated with the indices of Crop Water Productivity (CWP)), Economic Water Productivity (EWP), and a typical hazardous index, the Standardized Chloride Hazard Index, (SCHI).The system is applied to the coastal watershed of Almyros, which is a water resources system with intensive agricultural/irrigation activity in coastal Thessaly and with significant and serious problems of quantitative and qualitative degradation of the coastal aquifer due to anthropogenic interventions. The result is a significant decline in the aquifer’s horizons, nitrate pollution, and seawater intrusion/salinization. The historical, existing, and future state of degraded water resources is studied with the Integrated Modelling System (IMS) for various management scenarios of water demands, water potential, and different scenarios depicting climate change and volatility. Water resources management scenarios concern both water management and water demand management mainly for irrigation. The scenarios examined relate to the agricultural use of surface water with the development of water storage projects (water management), deficit irrigation (water demand management), rain-fed crops (water demand management), reducing the use of nitrogen fertilizers (quality management), with the aim of optimal water resources management for the quantitative and qualitative recovery of the underground aquifer. The simulation of water resources requires many data and measurements of hydrological and quality variables, which ideally extend in years and decades, and are used to simulate, calibrate, and validate the effective representation of water resources by the Integrated Modelling System (IMS). The measurements of precipitation and temperature, groundwater levels, nitrate ions, and chloride ions concentration are essential. Land use spatial data are useful for identifying irrigation needs and agronomic fertilization, while geographical data of groundwater observation sites as well as hydrogeological data are useful for the proper simulation and calibration/validation of the water system for reliable results. The collection and retrieval of the databases and the information available for the implementation of the Integrated Modelling System (IMS) was carried out both with the bibliographic review of previous studies and by a variety of European and public Greek organizations and individuals. Climate data of precipitation and temperature were provided by the Hellenic Meteorological Service (EMY), retrieved by meteo.gr, and by private meteorological stations in the wider Almyros and Magnesia area which were processed and homogenized. Spatial data on land uses and crop yields were provided by the OPEKEPE organization, while data on hydraulic characteristics of the soil and its composition by the European Soil Data Center Research (ESDAC) and the National Institute of Agricultural Research (formerly ETHIAGE-Today ELGO-DIMITRA). Observed groundwater level measurements as well as concentrations of nitrates and chlorides were provided by the Hellenic Survey of Geology & Mineral Exploration (HSGME), the Region of Thessaly, the Regional Unit of Magnesia and Sporades, and from previous studies. The sites of pumping boreholes were exported by regional maps from the National Register of Water Points (EMSY). The aforementioned data have contributed to the construction of each model of the simulation system, and the calibration and validation of each one against the corresponding observed measurements of the main components of the hydrological and water cycle, achieving an excellent performance of the operation and the response of the coastal water system of Almyros and the Almyros aquifer. For the reliable simulation of the water resources of both their quantity and their quality, in order to assess the impact of climate change on their degradation and with increased importance due to their coastal position, it is very important that the projected results of the future climate from the climate models bring about the best possible adjustment to the study area and the smallest inherent uncertainty. For this reason, Bias-Correction Techniques were applied to the outputs of the climate models by the Med-Cordex (Mediterranean Coordinated Regional Downscaling Experiment) for two scenarios of atmospheric conditions and emissions, the medium impacts scenario RCP4.5 and the adverse impacts scenario RCP8.5. The meteorological variables of the precipitation and temperature were retrieved for the study area with scripting code in the R programming language, and the implementation of the Bias Correction Techniques was carried out in an accounting sheet environment (Excel). The techniques were applied to the variables of the precipitation and temperature and they specifically regard the Delta method, the Delta method of Mean and Variance, the Delta Mapping method, the method of Quantile Empirical Mapping, and the Quantile Gamma Mapping method. Through the calculation of statistical performance metrics of the downscaled/bias-corrected variables of precipitation and temperature against their observed values, the most efficient method of bias-correction for the study area has been defined. Subsequently, new sets of climate model ensembles were investigated and manufactured for the adverse impacts of climate change scenario RCP8.5 and the medium impacts scenario RCP4.5, while according to their statistical performance, their performance was slightly better than using individual climate models. Nevertheless, very important is also the determination of the Med-CORDEX climate model that can be best bias-corrected against the observed data for both climate change scenarios for the uncertainty analysis that propagates from the input climate variables in each main component of the produced simulated results by the coupled modules of the Integrated Modelling System (IMS). The uncertainty analysis is based on the determination of the transverse monthly distributions of the hydrological and water quality variables, both in terms of climate change scenarios (RCP8.5 and RCP4.5) and the corresponding climate models, as well as on the different Bias-Correction Techniques. The uncertainty of each variable contains the possible values that each simulated variable of the hydrological-water cycle can obtain at a specific level of confidence after the normality check of each transverse monthly distribution of each component has been conducted. The quantification of the uncertainty is estimated with the relative uncertainty, a unitless indicator of the variation of the simulated variable values under the climate change and management scenarios. Finally, the contribution of the uncertainty of climate change and management scenarios, and how it propagates to the groundwater is determined by the implementation of the Principal Component Analysis (PCA) method to the uncertainty variables of the hydrological-water cycle, through their linear projection in the two-dimensional coordinate system of principal components. The research methodology for the simulation and the management of the coastal watershed is divided into four distinct work modules (R.U. research units) and includes:•R.U.1: The recording and evaluation of the existing situation, which was carried out through: oProject 1.1: the search and collection of bibliographic and research studies for degraded water resources oProject 1.2: the collection, analysis, and processing of the hydrometeorological data, the qualitative data of water resources, the hydrogeological conditions of the groundwater aquifer system•R.U.2: The development and implementation of the Integrated Simulation programs’ System and the quantitative and qualitative evaluation of the existing historical status with: oProject 2.1: The simulation of the surface hydrology through the conceptual model UTHBAL, which uses the mean surface rainfall, the mean surface temperature, and the mean surface potential evapotranspiration and calculates the actual evapotranspiration, the soil moisture, the surface runoff, and the groundwater recharge oProject 2.2: The determination of the amount of nitrogen of agricultural origin leached from the unsaturated zone towards the saturated zone with the agro-hydrological REPIC model (an R-ArcGIS-based Environmental Policy Integrated Climate model), as a function of the geomorphology, the climatic conditions, the land uses, the irrigation water and the annual application of fertilization oProject 2.3: The simulation of the groundwater flow of the groundwater aquifer of Almyros with the use of the Groundwater Modelling System (Aquaveo-GMS) software package through the conceptual approach, which receives from the surface hydrology model (UTHBAL) the groundwater recharge and applies the MODFLOW code, the simulation of the nitrates concentrations with the MT3DMS subroutine, and the simulation of the saltwater wedge/seawater intrusion/salinization with the subroutine of variable density flow SEAWAT•R.U.3: The application of the Integrated Modelling System for the simulation of the projected situation under the influence of climate change and management scenarios: oProject 3.1: The implementation of bias-correction techniques to the outputs of the climate models and the evaluation of the most representative climatic model for the study area oProject 3.2: The quantitative and qualitative evaluation of the water resources for a series of management scenarios that focus on the management of water demand and agronomic fertilization oProject 3.3: The formulation and evaluation of optimal management strategies aimed at limiting and reversing the quantitative and qualitative degradation of water resources. oProject 3.4: The determination of the uncertainty due to the simulation process and the projected climate change and how it is propagated from the climate/meteorological variables to the main components of the hydrological and water cycle.•R.U.4: The overall assessment of the results and the contribution of the innovative elements of the present doctoral dissertation. The main research questions/assumptions answered in the context of the preparation of this doctoral thesis are distinguished in i) the integrated simulation of surface water and groundwater resources of coastal and agricultural degraded watersheds ii) the way of connection of the degraded status of water balance with the seawater intrusion and the nitrate pollution iii) in how climate change affects the quantitative and qualitative conditions of coastal water resources iv) the investigation of the adaptation and the protection of water resources with alternative scenarios of water demand and fertilization management towards the produced uncertainty of the pressures, the seawater wedge, and the nitrates concentrations in the groundwater aquifer and (v) the determination of the uncertainty due to the simulation of the projected climate/meteorological data and the management scenarios, and how uncertainty propagates from the climate variables, to the surface hydrology variables, then at the groundwater hydrology and quality variables of the groundwater aquifer system.

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή επικεντρώνεται στην Προσομοίωση και Διαχείριση Υποβαθμισμένων Υδατικών Πόρων Παράκτιων Λεκανών Απορροής. Αντικείμενο έρευνας είναι η προσομοίωση της ποσοτικής και ποιοτικής υποβαθμισμένης κατάστασης των παράκτιων υδατικών πόρων σε αγροτικές Λεκάνες Απορροής Ποταμών, και η χρηστή διαχείριση τους σε συνθήκες κλιματικής αλλαγής με απώτερους στόχους τη βελτίωση ή/και αναστροφή των φαινομένων ποσοτικής και ποιοτικής υποβάθμισης, την προσαρμογή της διαχείρισης των παράκτιων υδατικών πόρων στην κλιματική αλλαγή και τον προσδιορισμό της προσπίπτουσας αβεβαιότητας της κλιματικής αλλαγής στους παράκτιους υδατικούς πόρους. Η μεθοδολογία προσέγγισης βασίζεται α) στην ανάπτυξη ενός Ολοκληρωμένου Συστήματος Προσομοίωσης (ΟΣΠ) της αλμυρής σφήνας και της νιτρορύπανσης για παράκτιες και αγροτικές Λεκάνες Απορροής Ποταμών, β) στο σχεδιασμό, στην εφαρμογή και στην αποτίμηση των επιπτώσεων σεναρίων άρδευσης και αγρονομικής λίπανσης στους υδατικούς πόρους, γ) στο σχεδιασμό σεναρίων ταμίευσης υδάτων για την κάλυψη των υδατικών αναγκών, δ) στην προσομοίωση της μελλοντικής κατάστασης των υδατικών πόρων για κάθε διαχειριστικό σενάριο ε) στον προσδιορισμό της μεταβολής των συνιστωσών του υδρολογικού κύκλου στο μέλλον σύμφωνα με τα κλιματικά μοντέλα και σενάρια προβολής του μελλοντικού κλίματος και στ) στον προσδιορισμό της αβεβαιότητας που υπεισέρχεται στην προσομοίωση και τη διαχείριση των υδατικών πόρων λόγω αβεβαιοτήτων στην προσομοίωση του μελλοντικού μεταβαλλόμενου κλίματος. Το Ολοκληρωμένο Σύστημα Προσομοίωσης (ΟΣΠ) διαρθρώνεται από τα συζευγμένα μοντέλα επιφανειακής υδρολογίας, UTHBAL, λειτουργίας ταμιευτήρα, UTHRL, υπόγειας υδρολογίας, MODFLOW, έκπλυσης νιτρικών/απόδοσης καλλιεργειών, REPIC (EPIC σε καινοτόμα διεπιφάνεια χρήστη με το R-ArcGIS), κίνησης και διασποράς νιτρικών ιόντων, MT3DMS, θαλάσσιας διείσδυσης/υφαλμύρισης, SEAWAT. Επίσης, χρησιμοποιούνται αποτελέσματα από μοντέλα παγκόσμιας (Global Circulation Models-GCMs) και περιοχικής (Regional Circulation Models) ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας από τη βάση δεδομένων κλιματικών μοντέλων Med-CORDEX με εφαρμογή τεχνικών Στατιστικού Καταβιβασμού/Διόρθωσης Μεροληψίας. Ειδικότερα, στο πλαίσιο της έρευνας τα μοντέλα επιφανειακής υδρολογίας, UTHBAL, και λειτουργίας ταμιευτήρα, UTHRL, αποτελούν ένα υπό-σύστημα λεκανών και ταμιευτήρων απόληψης νερού για άρδευση το οποίο βελτιστοποιήθηκε να υπολογίζει την έκταση και το είδος καλλιέργειας ανάλογα το διαθέσιμο αποθηκευμένο όγκο νερού με σκοπό το σχεδιασμό αρδευτικών δικτύων. Στο πλαίσιο της έρευνας αναπτύχθηκε και το διανεμημένο μοντέλο REPIC, το οποίο είναι μια διεπιφάνεια χρήστη σε γλώσσα προγραμματισμού R ή/και σε περιβάλλον ArcGIS Pro με το αγρό-υδρολογικό-αγρονομικό μοντέλο EPIC (Environmental Policy Integrated Climate model).Η αξιολόγηση της προσομοιωμένης κατάστασης των παράκτιων υδατικών πόρων πραγματοποιείται με τον προσδιορισμό των μεταβλητών του υετού, της θερμοκρασίας, της επιφανειακής απορροής, της υπόγειας κατείσδυσης, της υπόγειας στάθμης, της έκπλυσης νιτρικών ιόντων από τη χρήση λιπασμάτων, της νιτρορύπανσης, της υφαλμύρισης. Η απόδοση των σεναρίων άρδευσης και λίπανσης αποτιμάται με τους δείκτες Καλλιεργητικής Παραγωγικότητας Νερού (αγγλ. Crop Water Productivity, CWP)), Οικονομικής Παραγωγικότητας Νερού (αγγλ. Economic Water Productivity, EWP)), Αποδοτικότητας Χρήσης Αζώτου (αγγλ. Nitrogen Use Efficiency, NUE), και Τυπικού Δείκτη Επικινδυνότητας Χλωριόντων (αγγλ. Standardized Chloride Hazard Index, SCHI). Το σύστημα εφαρμόζεται στην παράκτια λεκάνη απορροής του Αλμυρού, η οποία αποτελεί ένα σύστημα υδατικών πόρων με εντατική γεωργική/αρδευτική δραστηριότητα στην παράκτια Θεσσαλία και σημαντικά και σοβαρά προβλήματα ποσοτικής και ποιοτικής υποβάθμισης του παράκτιου υδροφορέα λόγω ανθρωπογενών παρεμβάσεων. To αποτέλεσμα είναι η σημαντική πτώση του υδροφόρου ορίζοντα, η νιτρορύπανση και η θαλάσσια διείσδυση/ υφαλμύριση του υδροφορέα. Η ιστορική, υπάρχουσα και μελλοντική κατάσταση των υποβαθμισμένων υδατικών πόρων μελετάται με το Ολοκληρωμένο Σύστημα Προσομοίωσης για διάφορα διαχειριστικά σενάρια της ζήτησης νερού, του υδατικού δυναμικού και διαφορετικών σεναρίων που απεικονίζουν την κλιματική αλλαγή και μεταβλητότητα. Τα σενάρια διαχείρισης των υδατικών πόρων αφορούν τόσο τη διαχείριση του υδατικού δυναμικού όσο και τη διαχείριση της ζήτησης νερού κύρια για την άρδευση. Τα σενάρια που εξετάζονται αφορούν τη γεωργική χρήση επιφανειακού νερού με την ανάπτυξη έργων αποθήκευσης νερού (διαχείριση του υδατικού δυναμικού), την ελλειμματική άρδευση (διαχείριση της ζήτησης νερού), τις ξηρικές καλλιέργειες (διαχείριση της ζήτησης νερού), τη μείωση χρήσης αζωτούχων λιπασμάτων (διαχείριση ποιότητας), με στόχο τη βέλτιστη διαχείριση υδατικών πόρων για την ποσοτική και ποιοτική ανάταξη του υπόγειου υδροφορέα. Για την προσομοίωση των υδατικών πόρων απαιτούνται πολλά δεδομένα και μετρήσεις υδρολογικών και ποιοτικών μεταβλητών, τα οποία ιδανικά εκτείνονται σε βάθος χρόνων και δεκαετιών, και χρησιμοποιούνται για την προσομοίωση, ρύθμιση και την πιστοποίηση της αποτελεσματικής αναπαράστασης των υδατικών πόρων από τα μοντέλα του Ολοκληρωμένου Σύστηματος Προσομοίωσης (ΟΣΠ). Μετρήσεις υετόπτωσης και θερμοκρασίας, υπόγειας στάθμης, περιεκτικότητας νιτρικών και χλωριούχων ιόντων είναι στοιχεία απαραίτητα. Χωρικά δεδομένα χρήσεων γης και είδους καλλιέργειας είναι χρήσιμα για τον προσδιορισμό των αρδευτικών αναγκών και της αγρονομικής λίπανσης, ενώ γεωγραφικά δεδομένα τοποθεσιών γεωτρήσεων παρατήρησης και άντλησης υπόγειων υδάτων καθώς και υδρογεωλογικά δεδομένα είναι χρήσιμα για τη σωστή προσομοίωση και ρύθμιση/πιστοποίηση του συστήματος για αξιόπιστα αποτελέσματα. Η συλλογή και ανάκτηση των βάσεων δεδομένων και των διαθέσιμων πληροφοριών για την εφαρμογή του Ολοκληρωμένου Σύστηματος Προσομοίωσης (ΟΣΠ) πραγματοποιήθηκε και με τη βιβλιογραφική ανασκόπηση προηγούμενων μελετών αλλά και από ποικίλους ευρωπαϊκούς και δημόσιους ελληνικούς οργανισμούς και ιδιώτες. Κλιματικά δεδομένα υετόπτωσης και θερμοκρασίας παρήχθησαν από την Ελληνική Μετεωρολογική Υπηρεσία (Ε.Μ.Υ.), ανακτήθηκαν από το Meteo.gr, και από ιδιωτικούς μετεωρολογικούς σταθμούς στην ευρύτερη περιοχή Αλμυρού και Μαγνησίας τα οποία επεξεργάστηκαν και ομογενοποιήθηκαν. Χωρικά δεδομένα χρήσεων γης και απόδοσης καλλιεργειών παρήχθησαν από τον Ο.ΠΕ.Κ.Ε.ΠΕ, ενώ δεδομένα υδραυλικών χαρακτηριστικών του εδάφους και της σύστασης του από το Ευρωπαϊκό Κέντρο Δεδομένων Εδάφους (European Soil Data Centre-ESDAC), και το Εθνικό Ίδρυμα Αγροτικής Έρευνας (ΕΘΙΑΓΕ-σήμερα ΕΛΓΟ-ΔΗΜΗΤΡΑ). Παρατηρούμενες μετρήσεις στάθμης υπόγειων υδάτων καθώς και συγκεντρώσεων νιτρικών ιόντων και χλωριόντων ανακτήθηκαν από την Ελληνική Αρχή Γεωλογικών και Μεταλλευτικών Ερευνών (ΕΑΓΜΕ), την Περιφέρεια Θεσσαλίας, την Περιφερειακή Ενότητα Μαγνησίας και Σποράδων, και από προηγούμενες μελέτες. Οι τοποθεσίες των γεωτρήσεων άντλησης εξήχθησαν από περιοχικούς χάρτες του Εθνικού Μητρώου Σημείων Υδροληψίας (Ε.Μ.Σ.Υ.). Τα παραπάνω δεδομένα συντέλεσαν στη δόμηση του κάθε μοντέλου του συστήματος προσομοίωσης, και στη βαθμονόμηση και πιστοποίηση του καθενός ξεχωριστά στις αντίστοιχες παρατηρούμενες μετρήσεις των κύριων συνιστωσών του υδρολογικού και υδατικού κύκλου, επιτυγχάνοντας άριστη απόδοση της λειτουργίας και της απόκρισης του παράκτιου υδατικού συστήματος της Λεκάνης Αλμυρού και του υπογείου υδροφορέα.Για την αξιόπιστη προσομοίωση των υδατικών πόρων τόσο της ποσότητας όσο και της ποιότητας τους με στόχο την εκτίμηση των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής στην υποβάθμιση τους και με αυξημένη σημασία λόγω της παράκτιας θέσης τους, είναι πολύ σημαντικό τα αποτελέσματα προβολής του μελλοντικού κλίματος από τα κλιματικά μοντέλα να επιφέρουν την καλύτερη δυνατή προσαρμογή στην περιοχή μελέτης και τη μικρότερη εγγενή αβεβαιότητα. Για αυτό το λόγο εφαρμόσθηκαν Τεχνικές Διόρθωσης Μεροληψίας στα αποτελέσματα κλιματικών μοντέλων από το Med-CORDEX (Mediterranean COordinated Regional Downscaling Experiment) για δύο σενάρια ατμοσφαιρικών συνθηκών και εκπομπών, το μέσο σενάριο RCP4.5 και το δυσμενές RCP8.5. Οι μετεωρολογικές μεταβλητές του υετού και της θερμοκρασίας εξήχθησαν για την περιοχή μελέτης με τη συγγραφή κώδικα σε γλώσσα προγραμματισμού R και η εφαρμογή των μεθόδων πραγματοποιήθηκε σε περιβάλλον λογιστικών φύλλων (Excel). Οι τεχνικές εφαρμόστηκαν στις μεταβλητές της υετόπτωσης και θερμοκρασίας και συγκεκριμένα αφορούν τη μέθοδο Δέλτα (Delta), τη μέθοδο Δέλτα για το Μέσο Όρο και τη Διακύμανση (Delta of Mean and Variance), τη μέθοδο Ποσοστημορίων Δέλτα (Quantile Delta Mapping), τη μέθοδο Εμπειρικών Ποσοστημορίων (Quantile Empirical Mapping) και τη μέθοδο Ποσοστημορίων Κατανομής Γάμμα (Quantile Gamma Mapping). Με τον υπολογισμό στατιστικών μέτρων απόδοσης των καταβιβασμένων/διορθωμένων μεταβλητών του υετού και της θερμοκρασίας έναντι των παρατηρούμενων τιμών αναδείχθηκε η αποδοτικότερη μέθοδος διόρθωσης μεροληψίας για την περιοχή μελέτης. Στη συνέχεια διερευνήθηκαν και κατασκευάστηκαν νέα σύνολα κλιματικών δεδομένων (Ensembles) για το δυσμενές σενάριο κλιματικής αλλαγής RCP8.5 και το μέσο RCP4.5, ενώ σύμφωνα με τα στατιστικά μέτρα επίδοσης τους επιτεύχθηκε ελαφρώς καλύτερη επίδοση από τα μεμονωμένα κλιματικά μοντέλα Med-CORDEX. Όμως, σημαντικός είναι και ο προσδιορισμός του κλιματικού μοντέλου Med-CORDEX στα παρατηρούμενα δεδομένα και για τα δύο σενάρια κλιματικής αλλαγής για την ανάλυση της αβεβαιότητας που διαδίδεται από τα δεδομένα εισόδου των κλιματικών μεταβλητών σε κάθε κύρια συνιστώσα των παραγόμενων αποτελεσμάτων των συζευγμένων μοντέλων του Ολοκληρωμένου Συστήματος Προσομοίωσης (ΟΣΠ). Η ανάλυση της αβεβαιότητας βασίζεται στον προσδιορισμό των εγκάρσιων μηνιαίων κατανομών των τιμών των υδρολογικών και ποιοτικών μεταβλητών τόσο ως προς τα κλιματικά σενάρια (RCP8.5 και RCP4.5) και τα αντίστοιχα κλιματικά μοντέλα, όσο και ως προς τις διαφορετικές τεχνικές διόρθωσης μεροληψίας. Η αβεβαιότητα κάθε μεταβλητής εμπεριέχει τις πιθανές τιμές που μπορεί να λάβει κάθε προσομοιωμένη μεταβλητή του υδρολογικού-υδατικού κύκλου σε συγκεκριμένο επίπεδο εμπιστοσύνης αφού πραγματοποιείται έλεγχος κανονικότητας κάθε εγκάρσιας μηνιαίας κατανομής κάθε συνιστώσας. Ο προσδιορισμός της αβεβαιότητας αποτιμάται με τη σχετική αβεβαιότητα, έναν αδιάστατο δείκτη της διακύμανσης των παραγόμενων τιμών υπό την κλιματική αλλαγή και τα σενάρια διαχείρισης. Τέλος, η συνεισφορά της αβεβαιότητας της κλιματικής αλλαγής και των διαχειριστικών σεναρίων, και το πώς μεταβιβάζεται προς τα υπόγεια καθορίζεται με την εφαρμογή της μεθόδου Ανάλυσης Κύριων Συνιστωσών (Principal Component Analysis PCA) στις μεταβλητές αβεβαιότητας του υδρολογικού-υδατικού κύκλου με τη γραμμική προβολή στο δισδιάστατο σύστημα αξόνων των κύριων συνιστωσών.Η μεθοδολογία έρευνας για την προσομοίωση και τη διαχείριση της παράκτιας λεκάνης απορροής επιμερίζεται σε τέσσερις διακριτές ενότητες εργασίας (Ερευνητικές Ενότητες, Ε.Ε.) και περιλαμβάνει: •Ε.Ε.1: Την καταγραφή και αποτίμηση της υπάρχουσας κατάστασης, η οποία πραγματοποιήθηκε μέσω:oΕργασία 1.1: Της αναζήτησης και συλλογής βιβλιογραφικών και ερευνητικών μελετών υποβαθμισμένων υδατικών πόρων παράκτιων λεκανών απορροήςoΕργασία 1.2: Της συλλογής, ανάλυσης και επεξεργασίας των υδρομετεωρολογικών δεδομένων, των ποιοτικών δεδομένων των υδατικών πόρων, των υδρογεωλογικών συνθηκών του υπόγειου υδατικού συστήματος •Ε.Ε.2: Την ανάπτυξη και εφαρμογή του ολοκληρωμένου συστήματος προγραμμάτων προσομοίωσης και την ποσοτική και ποιοτική αξιολόγηση της υπάρχουσας ιστορικής κατάστασης με:oΕργασία 2.1: Την προσομοίωση της επιφανειακής υδρολογίας μέσω του εννοιολογικού μοντέλου UTHBAL, το οποίο χρησιμοποιεί ως δεδομένα εισόδου την επιφανειακή βροχόπτωση, τη μέση επιφανειακή θερμοκρασία και τη δυνητική εξατμισοδιαπνοή και υπολογίζει την πραγματική εξατμισοδιαπνοή, την εδαφική υγρασία, την επιφανειακή απορροή και κατείσδυση oΕργασία 2.2: Τον προσδιορισμό της ποσότητας αζώτου γεωργικής προέλευσης που εκπλύεται από την ακόρεστη προς την κορεσμένη ζώνη με το αγρο-υδρολογικό μοντέλο REPIC (R-ArcGIS-based Environmental Policy Integrated Climate model) συναρτήσει της γεωμορφολογίας, των κλιματικών συνθηκών, των χρήσεων γης, του τύπου καλλιέργειας, του βάθους ύδρευσης και της ετήσιας εφαρμογής λίπανσης oΕργασία 2.3: Την προσομοίωση της υπόγειας ροής του υπόγειου υδροφορέα του Αλμυρού με τη χρήση του λογισμικού πακέτου Groundwater Modelling System (Aquaveo-GMS) μέσω της εννοιολογικής προσέγγισης, το οποίο και δέχεται από το μοντέλο επιφανειακής υδρολογίας την κατείσδυση (UTHBAL) και εφαρμόζει τον κώδικα MODFLOW, την προσομοίωση των συγκεντρώσεων νιτρικών ιόντων με την υπορουτίνα MT3DMS, και την προσομοίωση της αλμυρής σφήνας/υφαλμύρισης με την υπορουτίνα ροής μεταβλητής πυκνότητας SEAWAT •Ε.Ε.3: Την εφαρμογή του ολοκληρωμένου συστήματος στην προσομοίωση της προβλεπόμενης κατάστασης υπό την επίδραση της κλιματικής αλλαγής και διαχειριστικών σεναρίων: oΕργασία 3.1: Την εφαρμογή τεχνικών διόρθωσης μεροληψίας στα αποτελέσματα προσομοιώσεων κλιματικών μοντέλων και αξιολόγησης του αντιπροσωπευτικότερου μοντέλου στην περιοχή μελέτης oΕργασία 3.2: Την ποσοτική και ποιοτική αξιολόγηση των υδατικών πόρων για μια σειρά διαχειριστικών σεναρίων, τα οποία επικεντρώνονται στη διαχείριση της ζήτησης νερού και αγρονομικής λίπανσης oΕργασία 3.3: Τη διατύπωση και αποτίμηση βέλτιστων διαχειριστικών στρατηγικών με στόχο τον περιορισμό και την αντιστροφή της ποσοτικής και ποιοτικής υποβάθμισης των υδατικών πόρων.oΕργασία 3.4: Τον προσδιορισμό της αβεβαιότητας λόγω προσομοίωσης και πρόβλεψης της κλιματικής αλλαγής και πώς αυτή διαδίδεται από τις κλιματικές/μετεωρολογικές μεταβλητές στις κύριες συνιστώσες του υδρολογικού και υδατικού κύκλου. •Ε.Ε.4: Συνολική αξιολόγηση των αποτελεσμάτων και της συνεισφοράς των καινοτόμων στοιχείων της Διδακτορικής ΔιατριβήςΤα κύρια ερευνητικά ερωτήματα/υποθέσεις που απαντώνται στα πλαίσια εκπόνησης της παρούσης διδακτορικής διατριβής διακρίνονται: i) στη συνολική προσομοίωση επιφανειακών και υπόγειων υδατικών πόρων παράκτιων και αγροτικών λεκανών απορροής, ii) στο τρόπο σύνδεσης της υποβαθμισμένης κατάστασης της υδατικής ισορροπίας παράκτιας λεκάνης απορροής με τη θαλάσσια διείσδυση και τη νιτρορύπανση iii) στο πώς η κλιματική αλλαγή επηρεάζει την ποσοτική και ποιοτική κατάσταση των παράκτιων υδατικών πόρων iv) στη διερεύνηση της προσαρμογής και προστασίας των υδατικών πόρων με εναλλακτικά σενάρια διαχείρισης της ζήτησης και της λίπανσης στην παραγόμενη αβεβαιότητα της πίεσης, της αλμυρής σφήνας και των νιτρικών σε υπόγειο υδροφορέα και ν) την προσδιορισμό της αβεβαιότητας λόγω της προσομοίωσης των μελλοντικών κλιματικών/μετεωρολογικών δεδομένων και σεναρίων διαχείρισης και με ποιο τρόπο η αβεβαιότητα διαδίδεται από τις κλιματικές μεταβλητές, στις μεταβλητές επιφανειακής υδρολογίας, στη συνέχεια της υπόγειας υδρολογίας και στις ποιοτικές μεταβλητές του υπόγειου υδροφορέα.