Hydrogeological - hydrochemical parameters of the drained Mouria lake (prefecture of Ileia), controlling the rehabilitation and the sustainable management of the wetlands

The present thesis deals with the hydrogeological – hydrochemical conditions that dominate in the wider area of the former Mouria Lake, in Ilia Prefecture, in order to develop a model for rational management and protection of aquifers. The bedrock in the research area, which comprises part of the hydrological basin of the Alfios River, the Staphylia Basin and the intrabasinal region, is formed of Paleocene limestone of the Ionian zone and the evaporites. The post‐alpic sediments that overly the evaporites, have a varying depth that is up to 2.5km, covering almost the entire study area. These sediments consist mainly of clay, marl, siltstone and sandstone. Three major fault trends develop a complex fault system in the Pyrgos area. The NW – SE fault trends are in the south and east part of Pyrgos town, while the NE – SW trending faults occur in the area of Vounargo village. The E – W trending faults are found in the SE part of Pyrgos town, parallel to Alfios River valley. The tectonics and the seismicity of the study area is active until today and has played a prominent role in the post‐alpidic sediments, as well as in the shaping of today’s relief, in the development of the drainage network and the local hydrogeological characteristics. The hydrographic network in the study area is relatively well developed, while active tectonics is the major factor in the development of the hydrographic network. Another basic characteristic of the hydrographic network is the absence of delta in the river estuaries. This is mainly due to the wave action, as well as to the tectonic uplift of the coastline. The geomorphological development of the entire area is characterized by a smooth relief. It is a flat to semi‐mountainous region, with a mean altitude of +92 m, which diminishes gradually westwards. The mean annual precipitation in the Mouria area amounts to 828mm. From the precipitation data analysis for the whole Alfios Basin, a rather gentle declining trend of the mean annual values in the last 25 years, with a relatively more sharp decline in the period 1984‐1999 can be observed. The mean annual volume of precipitation for the period 1975 – 2004 is 3.962,4x106m3 distributed in the whole Alfios basin. According to the Thornthwaite – Mather ‘s hydrological balance, 1.497,05x106m3 of water evapotranspirate annually, which equal to 413 mm distributed in the whole Alfios Basin. The average annual volume of water that infiltrates to the aquifers amounts to 1.104,09x106m3 for the Alfios Basin, which is 35.29 % of the rainwater. As derived from runoff measurements in Flokas Dam, 1.613,36x106 m3 of water annually, flows into the sea. In the broad study area several aquifers develop in different geological layers both unconfined and confined at greater depths in the Vounargo Formation. The aquifer layers studied are located in Pyrgos area, in the sub basin of Enipeas River (Alfios tributary) and in Staphylia Basin. The alluvial aquifers appearing in the lowland area, have typical hydraulic characteristics of unconfined aquifers. The confined aquifer bodies are developed in the deepest sandstone layers of the Vounargo Formation. In the lowland area these sandstones are found deeper than 30m intercalating with shales. The alterations of sand and clay is very common in many places and in addition to the presence of a number of faults in the Vounargo Formation, they result in water mixing from deeper aquifers to upper water bodies. The recharge of the confined Synopsis 6 aquifer is through infiltration of rainwater, as well as through faults and discontinuities that allow surface water to reach the aquifer bodies. From the study of the piezometrical maps in Pyrgos area, it is shown that the alluvial aquifer in the lowland area has a negative hydraulic gradient throughout the hydrological year. This is due to the use of pump stations that cause severe drawdown, especially in the coastal zone as the drainage channels connect to the aquifer at that area. The numerical simulation of the alluvial aquifer in Pyrgos area was done using Flowpath software. The results were very satisfying regarding both the simulation of the piezometrical surface and the reliable hydrogeological balance. According to this, 15% of the aquifer water derives from lateral leakage from Alfios River, while 85% derives from infiltration of the rainwater during the winter period and irrigation water during the summer period. The drainage channels play a very important role in the area as they lead 85% of the groundwater to the sea and the rest 15% is underground runoff towards the sea. Additionally, the prediction of the aquifer’s piezometrical surface and balance in case stresses change, was checked by the use of the Flowpath. In the study area the aquifer is constantly recharged throughout the year even during the summer due to the water use for irrigation. So the scenario that was checked, was that of heavy rainfall and the hydrological balance was checked for the new stress period. According to the results, 18% of the aquifer water derives from lateral leakage from Alfios River, while 82% derives from infiltration of the rainwater during the winter period and irrigation water during the summer period. Another hypothesis, is of simulating the aquifer before the drainage of the Mouria Lake that took place in 1960 ‘s. Results show that the role of drainage channels is significant for the study area as in the past decades before the drainage of the Mouria Lake the groundwater level was 2 meters higher. According to the hydrogeological balance, the lateral leakage from the Alfios River is decreased 10% in relation to the present situation. Ion–exchange phenomena are taking place in the alluvial aquifer of Pyrgos, due to seawater intrusion towards the inner land. This takes place especially in a zone parallel to the sea shore extending from the former Mouria Lake to Alfios River. Moreover, dedolomitization and pyrite oxidation are taking place in the aquifer, whereas high concentrations of ammonia is attributed to anthropogenic contamination. These phenomena were confirmed also by the factor analysis applied to the major and trace element contents. As regards the chemical composition of the drainage channels, the high concentrations of elements, especially in the coastal zone, are attributed not only to seawater intrusion but also to anthropogenic contamination. The maximum values of major and trace elements show that channel water is inappropriate for any use, as house and fabric waste usually are found in those channels thus enriching water with heavy metals. In the frame of the PENED project, the project team designed and constructed a lake in a 0.5‐ha large area, in the eastern part of the drained Mouria lake. The rainwater that flooded the new lake became saline during its 3‐month interaction with the clay sediments that dominate in the area. High concentrations of iron and manganese in water samples from the confined aquifer in the Pyrgos area are the main reason for their inappropriateness. The domination of reducing conditions in a big part of the aquifer favors the existence of those elements. Synopsis 7 The hydrochemical research in the samples of the confined aquifer in Vounargo Formation showed that there is a quick recharge in relation to the confined aquifer in Pyrgos area and their recharge is from the north and east part of the study area. The presence of H2S along with the high concentrations of NH4+ and B, are attributed to possible mixing with thermal waters that are found deeper and come upwards through faults. In the Staphylia Basin and especially along the Vounargo–Katakolo fault zone, the existence of waters with special characteristics was studied, like high sodium concentrations, methane release etc. High CO2 and Rn concentrations in groundwaters are attributed to the thermal waters and their existence near the Vounargo fault zone. The thermal waters in the area are possibly connected to the infiltration of meteoric water in great depths via large tectonic discontinuities. At great depths the water contacts the evaporites and enriches in sulfate ions that reduce to sulphuretted hydrogen, due to the reducing conditions. The uplift of the thermal water towards the surface is done through rock discontinuities, while it mixes with water bodies of upper layers, resulting in the decrease of its temperature, but at the same time causing changes in the hydrochemical type of the upper aquifers. The DRASTIC method was applied in the Pyrgos area and led to the development of the intrinsic vulnerability model of the alluvial aquifer, based on contaminants injected to the land surface. The modification of the initial methodology as regards the parameter values and the weight factors resulted in satisfying correlation between the intrinsic vulnerability and the concentration of total nitrogen.Η παρούσα διδακτορική διατριβή μελετά τις υδρογεωλογικές – υδροχημικές συνθήκες, που επικρατούν στην ευρύτερη περιοχή της αποξηραμένη λίμνης Μουριάς Ν. Ηλείας, με κύριο σκοπό τη δημιουργία μοντέλου ορθολογικής διαχείρισης των υπόγειων νερών. Το γεωλογικό υπόβαθρο της περιοχής έρευνας που περιλαμβάνει τμήμα της υδρολογικής λεκάνης του Αλφειού, τη λεκάνη της Σταφυλίας και τη μεσολεκανώδη των δύο υδρολογικών λεκανών περιοχή, δομούν οι ασβεστόλιθοι ηλικίας Παλαιοκαίνου της Ιόνιας ζώνης και οι εβαπορίτες. Τα μεταλπικά ιζήματα που διαδέχονται τους εβαπορίτες έχουν μεταβαλλόμενο πάχος, που φτάνει τα 2,5km και καλύπτουν σχεδόν ολόκληρη την περιοχή μελέτης. Τα ιζήματα αυτά αποτελούνται από αργίλους, μάργες, ιλυόλιθους και ψαμμίτες σε εναλλαγές. Τρεις κύριες διευθύνσεις ρηγμάτων δημιουργούν ένα πολύπλοκο καθεστώς διάρρηξης στην περιοχή της πόλης του Πύργου. Τα ρήγματα ΒΔ – ΝΑ διεύθυνσης απαντώνται στα νότια και ανατολικά της πόλης του Πύργου, στην περιοχή του Επιταλίου και του Πανόπουλου αντίστοιχα. Ρήγματα διεύθυνσης ΒΑ – ΝΔ απαντώνται βόρεια της πόλης του Πύργου, στην περιοχή του Βουνάργου. Ρήγματα διεύθυνσης Α – Δ απαντώνται στα ΝΑ της πόλης του Πύργου εκατέρωθεν του ποταμού Αλφειού. Η τεκτονική δραστηριότητα και η σεισμικότητα της περιοχής είναι ιδιαίτερα ενεργή μέχρι σήμερα και έχει παίξει καθοριστικό ρόλο στην μεταλπική ιζηματογένεση, στην διαμόρφωση της γεωμορφολογικής δομής, στην ανάπτυξη του υδρογραφικού δικτύου και στην διαμόρφωση των υδρογεωλογικών συνθηκών. Το υδρογραφικό δίκτυο της περιοχής χαρακτηρίζεται ως μέτρια ανεπτυγμένο, με το τεκτονικό καθεστώς της περιοχής να αποτελεί καθοριστικό παράγοντα στη διαμόρφωση και ανάπτυξη του υδρογραφικού δικτύου. Επίσης ένα σημαντικό χαρακτηριστικό γνώρισμα του υδρογραφικού δικτύου της περιοχής είναι η απουσία δέλτα στις εκβολές των ποταμών και των χειμάρρων. Το γεγονός αυτό οφείλεται κατά κύριο λόγο στην έντονη δράση των κυμάτων, καθώς και στις τεκτονικές κινήσεις ανύψωσης των ακτών. Η γεωμορφολογική ανάπτυξη της ευρύτερης περιοχής του Πύργου – Αρχαίας Ολυμπίας χαρακτηρίζεται από ήπιο ανάγλυφο με μεγάλη εξάπλωση της πεδινής ζώνης και ομαλή μετάβαση στην λοφώδη και ημιορεινή ζώνη. Προς τα βόρεια και ανατολικά, καθώς η επίδραση της τεκτονικής είναι εντονότερη, το υψόμετρο της περιοχής σταδιακά αυξάνει και φτάνει μέχρι τα +640m, ενώ το μέσο υψόμετρο είναι +92m. Το μέσο ετήσιο ύψος βροχόπτωσης για την περιοχή του Πύργου είναι 828mm και από την ανάλυση των βροχομετρικών δεδομένων για ολόκληρη την υδρολογική λεκάνη του Αλφειού, προέκυψε μια σχετικά έντονη πτωτική πορεία των ετησίων τιμών βροχόπτωσης κατά τα τελευταία 25 χρόνια και ειδικά η περίοδος 1984‐1999 θεωρείται περίοδος ξηρασίας. Ο μέσος ετήσιος όγκος νερού από βροχόπτωση το χρονικό διάστημα 1975 – 2004, ανέρχεται σε 3.962,4x106m3, που αντιστοιχεί σε ένα μέσο ύψος 1.103,7 mm ατμοσφαιρικών κατακρημνισμάτων, κατανεμημένων σε όλη την υδρολογική λεκάνη του Αλφειού. Με βάση το ισοζύγιο κατά Thornthwaite – Mather, οι απώλειες λόγω εξατμισοδιαπνοής υπολογίζονται σε 1.497,05x106m3 νερού ανά έτος, ή 413 mm νερού κατανεμημένων σε όλη την επιφάνεια της περιοχής έρευνας. Η μέση ετήσια ποσότητα νερού που κατεισδύει ανέρχεται σε 1.104,09x106m3 νερού, κατανεμημένων σε όλη την επιφάνεια της περιοχής Σύνοψη 2 έρευνας, ή ποσοστό 35,29 % του ύψους βροχής. Από μετρήσεις παροχής στη θέση Φράγμα Φλόκα υπολογίσθηκε ότι ο μέσος ετήσιος όγκος νερού ανέρχεται σε 1.613,36x106 m3. Στην ευρύτερη περιοχή μελέτης αναπτύσσονται υδροφόρα στρώματα τόσο ελεύθερου χαρακτήρα, όσο και υπό πίεση, που ανήκουν στο σχηματισμό του Βουνάργου. Τα υδροφόρα στρώματα που διερευνήθηκαν εντοπίζονται στην πεδινή περιοχή του Πύργου, στην υπολεκάνη του Ενιπέα και στην περιοχή του Βουνάργου, που ανήκει στη λεκάνη της Σταφυλίας. Οι προσχωματικοί υδροφόροι της πεδινής περιοχής παρουσιάζουν τιμές των υδραυλικών ιδιοτήτων, που κρίνονται τυπικές για έναν ελεύθερο υδροφόρο. Οι υπό πίεση υδροφόροι ορίζοντες αναπτύσσονται σε βαθύτερα στρώματα στους ψαμμίτες του σχηματισμού του Βουνάργου και είναι υψηλής δυναμικότητας. Στην πεδινή ζώνη οι ψαμμίτες αυτοί απαντώνται σε βάθος μεγαλύτερο των 30m περίπου και οριοθετούνται από αργιλικά στρώματα. Οι συχνές εναλλαγές στρωμάτων άμμου και αργίλου κατά θέσεις, καθώς και η παρουσία πολυάριθμων ρηγμάτων στο σχηματισμό του Βουνάργου οδηγεί πολλές φορές σε πιθανή μίξη νερών από βαθύτερους υδροφόρους. Η τροφοδοσία του υδροφόρου αυτού γίνεται κυρίως μέσω κατείσδυσης του νερού των βροχοπτώσεων, καθώς και μέσω ρηγμάτων και διαρρήξεων. Από τη μελέτη της πιεζομετρίας της περιοχής του Πύργου διαπιστώνεται ότι ο ελεύθερος υδροφόρος ορίζοντας παρουσιάζει αρνητικές απόλυτες στάθμες στις παράκτιες περιοχές καθ’ όλη τη διάρκεια του υδρολογικού έτους. Αυτό οφείλεται κυρίως στη λειτουργία των αντλιοστασίων για την αποστράγγιση των επιφανειακών νερών της περιοχής, τα οποία στην παράκτια ζώνη αντλούν και μέρος των υπόγειων. Η αριθμητική προσομοίωση του ελεύθερου υδροφόρου ορίζοντα στην περιοχή του Πύργου έγινε με τη χρήση του λογισμικού Flowpath και έδωσε ικανοποιητικά αποτελέσματα όσον αφορά στην προσομοίωση της πιεζομετρικής επιφάνειας αλλά και στην επεξεργασία ενός αξιόπιστου υδρογεωλογικού ισοζυγίου. Σύμφωνα με αυτό, περίπου το 15% του νερού στον υδροφόρο προέρχεται από πλευρικές διηθήσεις του ποταμού Αλφειού, ενώ το υπόλοιπο 85% προέρχεται από την κατείσδυση του νερού των βροχοπτώσεων την χειμερινή περίοδο και των αρδεύσεων τη θερινή περίοδο. Τα αποστραγγιστικά κανάλια παίζουν πολύ σημαντικό ρόλο στην περιοχή, καθώς οδηγούν στα αντλιοστάσια και τελικά στη θάλασσα περίπου το 85% του νερού του υδροφόρου, με το υπόλοιπο 15% να εκφορτίζεται υπόγεια προς τη θάλασσα. Ακόμη το μοντέλο έδωσε τη δυνατότητα πρόβλεψης της συμπεριφοράς του υδροφόρου σε περίπτωση αλλαγής των υδρολογικών συνθηκών στην περιοχή. Στην περιοχή της Μουριάς, όπου τη θερινή περίοδο η τροφοδοσία του υδροφόρου είναι άμεσα συνδεδεμένη με τις αρδεύσεις, παρατηρήθηκε ότι ένας σταθερός όγκος νερού κατεισδύει στον υδροφόρο ακόμα και με μηδαμινές βροχοπτώσεις. Διερευνήθηκε καταρχήν το υποθετικό σενάριο της υψηλής βροχόπτωσης κατά τη χειμερινή περίοδο και προσδιορίστηκε το υδρογεωλογικό ισοζύγιο. Σύμφωνα με αυτό το 82% των εισροών στον υδροφόρο προέρχεται από την απευθείας κατείσδυση του νερού των βροχοπτώσεων και των αρδεύσεων, ενώ το υπόλοιπο 18% διηθείται πλευρικά από τον Αλφειό ποταμό. Το 13% περίπου εκρέει υπόγεια προς τη θάλασσα, ενώ το 87% οδηγείται προς τη θάλασσα μέσω των αντλιοστασίων. Ένα ακόμα υποθετικό σενάριο που διερευνήθηκε ήταν η προσομοίωση του ελεύθερου υδροφόρου ορίζοντα πριν την αποξήρανση της λίμνης Μουριάς τη δεκαετία του 1960. Από την εφαρμογή του μοντέλου και την προσομοίωση της λίμνης Μουριάς, αποδεικνύεται ο Σύνοψη 3 ρόλος των στραγγιστικών αντλιοστασίων και των αποστραγγιστικών καναλιών στη διαμόρφωση του υδραυλικού χαρακτήρα της περιοχής, καθώς στο παρελθόν και πριν την αποξήρανση της λίμνης Μουριάς, το υδραυλικό φορτίο ήταν υψηλότερο σε ολόκληρη την περιοχή κατά 2m περίπου. Ενδιαφέρον επίσης παρουσιάζει το γεγονός, ότι σύμφωνα με το υδρογεωλογικό ισοζύγιο οι πλευρικές διηθήσεις από τον ποταμό Αλφειό προς τον υδροφόρο ορίζοντα εμφανίζονται μειωμένες κατά 10% περίπου σε σχέση με την σημερινή κατάσταση. Αυτό αποδίδεται στο γεγονός ότι η παρουσία των στραγγιστικών αντλιοστασίων (και ειδικότερα αυτού που απέχει 500m από τον Αλφειό) δημιουργούν αναρρόφηση νερού από τον ποταμό ενισχύοντας έτσι την πλευρική διήθηση. Ακόμη παρατηρήθηκε ότι η κατανομή των πιεζομετρικών καμπύλων παρουσιάζεται περισσότερο ομοιόμορφη σε σχέση με τις σημερινές συνθήκες. Σε ορισμένες θέσεις στον ελεύθερο υδροφόρο ορίζοντα της περιοχής του Πύργου παρουσιάζονται φαινόμενα ιοντοανταλλαγής, λόγω της διείσδυσης του θαλασσινού νερού προς την ενδοχώρα. Οι θέσεις αυτές εντοπίστηκαν κυρίως σε μία ζώνη παράλληλη της ακτογραμμής, η οποία καταλαμβάνει το ανατολικό τμήμα της αποξηραμένης λίμνης Μουριάς και εκτείνεται έως τον ποταμό Αλφειό. Επίσης παρατηρήθηκε το φαινόμενο της αποδολομιτίωσης και της οξείδωσης του σιδηροπυρίτη, ενώ οι ανθρωπογενείς επιδράσεις αντανακλώνται από τις υψηλές συγκεντρώσεις κυρίως των ενώσεων του αζώτου. Τα φαινόμενα αυτά επιβεβαιώθηκαν και από την παραγοντική ανάλυση, η οποία πραγματοποιήθηκε για τα κύρια στοιχεία και τα ιχνοστοιχεία του ελεύθερου υδροφόρου ορίζοντα. Στη χημική σύσταση του νερού των αποστραγγιστικών καναλιών οι συγκεντρώσεις των στοιχείων είναι αυξημένες κυρίως στην παράκτια ζώνη, και αυτό μπορεί να οφείλεται τόσο σε επίδραση από το θαλασσινό νερό, όσο και σε ρύπανση από ανθρωπογενείς παράγοντες. Οι μέγιστες τιμές που λαμβάνουν τόσο τα κύρια στοιχεία, όσο και τα ιχνοστοιχεία καθιστούν τα επιφανειακά αυτά νερά ακατάλληλα για κάθε χρήση, καθώς στα κανάλια καταλήγουν συχνά οικιακά και βιομηχανικά απορρίμματα εμπλουτίζοντας το νερό σε βαρέα μέταλλα. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής η ερευνητική ομάδα του προγράμματος ΠΕΝΕΔ κατασκεύασε σε μία έκταση 5 στρεμμάτων στο ανατολικό άκρο της αποξηραμένης λίμνης Μουριάς μία πειραματική λίμνη. Το βρόχινο νερό που κατέκλυσε την εκσκαφή της νέας λίμνης, ήρθε σε επαφή με τα αργιλικά ιζήματα που κυριαρχούν στην περιοχή και μέσα σε μικρό χρονικό διάστημα το νερό απέκτησε υψηλές συγκεντρώσεις στοιχείων. Οι υψηλές συγκεντρώσεις σε σίδηρο και μαγγάνιο των δειγμάτων νερού του υπό πίεση υδροφόρου της περιοχής του Πύργου είναι ο κυριότερος λόγος για την ακαταλληλότητά τους. Η επικράτηση αναγωγικών συνθηκών σε μεγάλο τμήμα του υδροφόρου ευνοεί τις υψηλές συγκεντρώσεις των στοιχείων αυτών. Η υδροχημική έρευνα στα δείγματα νερού του υπό πίεση υδροφόρου ορίζοντα του σχηματισμού του Βουνάργου έδειξε ότι τα νερά αυτά έχουν γρήγορη ανανέωση σε σχέση με τον υπό πίεση υδροφόρο της περιοχής του Πύργου και η τροφοδοσία τους γίνεται από βόρειες και ανατολικές διευθύνσεις. Η παρουσία H2S σε συνδυασμό με τις αυξημένες συγκεντρώσεις NH4+ και βορίου οφείλονται στην πιθανή ανάμιξη του νερού με θερμομεταλλικά νερά, που βρίσκονται βαθύτερα και αναδύονται μέσω ρηγμάτων. Στην υδρολογική λεκάνη της Σταφυλίας και ειδικότερα κατά μήκος της ρηξιγενούς ζώνης Βουνάργου – Κατακόλου διαπιστώθηκε η ύπαρξη νερών με ιδιαίτερα υδροχημικά Σύνοψη 4 χαρακτηριστικά, όπως οι υψηλές συγκεντρώσεις νατρίου, η έκλυση μεθανίου, υδροθείου κ.ά. Οι υψηλές συγκεντρώσεις CO2 σε συνδυασμό με την ύπαρξη ραδονίου στα υπόγεια νερά θεωρείται ότι οφείλονται στην ύπαρξη θερμομεταλλικής υδροφορίας, η οποία εκδηλώνεται σε μία επιμήκη ζώνη παράλληλη στο ρήγμα του Βουνάργου. Οι θερμομεταλλικές εμφανίσεις της περιοχής πιθανά συνδέονται με την κατείσδυση μετεωρικού νερού σε μεγάλα βάθη μέσω μεγάλων τεκτονικών ασυνεχειών. Σε μεγάλα βάθη το νερό έρχεται σε επαφή με εβαπορίτες και εμπλουτίζεται με θειικά ιόντα, τα οποία λόγω του αναγωγικού περιβάλλοντος ανάγονται σε υδρόθειο. Η άνοδος του θερμομεταλλικού νερού προς την επιφάνεια γίνεται μέσω τεκτονικών ασυνεχειών. Στην πορεία του αναμιγνύεται με νερά υδροφόρων οριζόντων, που βρίσκονται σε μικρότερο βάθος με αποτέλεσμα η θερμοκρασία του να μειώνεται, προκαλώντας παράλληλα μεταβολή του υδροχημικού χαρακτήρα των υδροφόρων αυτών. Η εφαρμογή της μεθόδου DRASTIC στην περιοχή του Πύργου οδήγησε στην δημιουργία ενός μοντέλου τρωτότητας του ελεύθερου υδροφόρου ορίζοντα με βάση τους ρύπους που εισάγονται στην επιφάνεια του εδάφους. Η τροποποίηση της αρχικής μεθοδολογίας ως προς τις τιμές των παραμέτρων, αλλά και της βαρύτητας των συντελεστών, επέφερε ικανοποιητική συσχέτιση μεταξύ της ενδογενούς τρωτότητας και της συγκέντρωσης του ολικού αζώτο