Water resources management under climate change conditions using multi-criteria analysis

The present doctoral dissertation refers to the broader scientific area of groundwater resources and in particular it deals with the investigation of alternative water management practices aiming at the protection of groundwater resources.A very frequent phenomenon observed in coastal aquifer systems, both nationally and internationally, is their intense quantitative and qualitative degradation, caused by the dramatic increase of water demand and by pollution of aquifers due to extensive human activity. Intensification of agricultural production and rapid tourist development in these areas, are activities of high water consumption that contribute to overxploitation of water resources, decrease of groundwater levels and consequently lead to inevitable seawater intrusion phenomena.This specific degradation is an issue of major concern to the scientific community and in particular to researchers and scientists dealing with water resources. The complexity of this issue and the difficulties encountered in many cases and for a wide range of applications necessitate the use of management tools as well as decision-making models using multiple criteria analysis.Water management models are powerful and reliable tools for the simulation of water systems, offering detailed information about the operation of surface water bodies and aquifers. Additionally, high degree of accuracy and reliability of the simulation results is provided, as it is possible to import a large number of data and time series, even if, in many cases, data collection is a costly and time-consuming task.The purpose of this thesis is to investigate the operation and water-supply and demand balance of coastal aquifers that suffer overexploitation, under climate changing conditions. The investigation takes place through a management model of both surface and groundwater resources. The model is developed using W.E.A.P. (Water Evaluation and Planning) software, which is an appropriate tool for integrated planning and management of water resources and that operates on the basic principle of mass balance. A detailed analysis of the spatial and temporal variation of water demand (to cover urban and irrigation needs) for the study period takes place within the model. In addition, water supply variation (from groundwater and surface water sources) is predicted, through the dynamic climate model RegCM3 (Regional Climate Model 3), considering also climate change.Within the management model, various scenarios are investigated regarding the management of the available water quantity and alternative actions (such as irrigation water-saving measures, reservoir construction and desalination plants installation), as well as a combination of them, are proposed in order to protect the local aquifers. The aforementioned investigation is related on the one hand to water demand and the related extent to which every alternative covers the water needs of the study area and, on the other hand, to water supply and the contribution of each action to groundwater protection.However, the evaluation of the alternative scenarios is not a simple task due to the complexity of water issues and the results of the management model are not sufficient for a proper and integrated evaluation of the proposed actions. To this end, a decision model based on multicriteria analysis is developed.Multi-Criteria Decision Analysis models are particularly powerful and valuable tools in water management, because water issues have a variety of specific features that need to be taken into account, while conflicting interests regarding competitive water uses arise. In other words, due to the multidimensional nature of water problems, these cannot be resolved using only one criterion or by a single decision-maker.In the context of this doctoral dissertation a complex multicriteria decision making model is developed, using Visual Promethee software. The aim is to reach an optimal management scenario applied in the study area for solving water issues, through an appraisal based on environmental, economic, technological and social criteria. The final decision is related to the implementation of the proper management practice that is socially acceptable, technically and costly efficient, as well as environmentally responsible.Finally, the pilot application of the proposed methodology is carried out in four water systems (Epanomi-Moudania, Kassandra, Ormylia and Sithonia) in the Prefecture of Chalkidiki, Greece, facing serious quantitative and qualitative water issues, due to rapid tourist development and intense agricultural activity.Η παρούσα διδακτορική διατριβή εντάσσεται στην ευρύτερη γνωστική περιοχή που αφορά στους υπόγειους υδατικούς πόρους και συγκεκριμένα στη θεματολογία που αναφέρεται στη διερεύνηση εναλλακτικών πρακτικών διαχείρισης νερού με στόχο την προστασία των υπόγειων υδάτων. Ιδιαίτερα συχνό φαινόμενο το οποίο έχει παρατηρηθεί στα παράκτια υδροφόρα συστήματα, τόσο στη χώρα μας όσο και διεθνώς, αποτελεί η έντονη ποσοτική αλλά και ποιοτική τους υποβάθμιση, η οποία οφείλεται αφενός στη δραματική αύξηση της ζήτησης νερού και αφετέρου στη ρύπανση των υδροφορέων λόγω της εκτεταμένης ανθρώπινης δραστηριότητας. Η εντατικοποίηση της αγροτικής παραγωγής αλλά και η ραγδαία αύξηση του τουρισμού στις εν λόγω περιοχές αποτελούν δραστηριότητες που συντελούν στην πτώση της στάθμης του υπόγειου νερού και στην αναπόφευκτη συνεπακόλουθη εισχώρηση θαλασσινού νερού στο εσωτερικό των υδροφορέων, εξαιτίας της αλόγιστης χρήσης νερού και της υπερεκμετάλλευσης των υδατικών τους αποθεμάτων για την κάλυψη των υδατικών αναγκών. Το ζήτημα της υποβάθμισης αυτής απασχολεί σε μεγάλο βαθμό την επιστημονική κοινότητα και συγκεκριμένα τους ασχολούμενους με τους υδατικούς πόρους ερευνητές και επιστήμονες. Η πολυπλοκότητα του συγκεκριμένου ζητήματος και οι δυσκολίες που προκύπτουν κατά την αντιμετώπισή του, σε πολλές περιπτώσεις και για ποικίλες εφαρμογές, απαιτούν τη χρήση διαχειριστικών μοντέλων αλλά και μοντέλων ανάλυσης αποφάσεων με χρήση πολλαπλών κριτηρίων. Τα μοντέλα διαχείρισης νερού συνιστούν στις μέρες μας αξιόπιστα και πολύτιμα εργαλεία προσομοίωσης των υπόγειων υδροφόρων συστημάτων, τα οποία συντελούν στην πλήρη κατανόηση της λειτουργίας των υδροφορέων από την πλευρά του χρήστη. Επιπλέον, καθώς υπάρχει η δυνατότητα εισαγωγής μεγάλου αριθμού δεδομένων και χρονοσειρών παρέχεται υψηλός βαθμός ακρίβειας και αξιοπιστίας στα αποτελέσματα της προσομοίωσης. Ωστόσο, σε πολλές περιπτώσεις δεν είναι εφικτή η συγκέντρωση επαρκών δεδομένων, καθώς είτε η απόκτησή τους αποτελεί χρονοβόρα και δαπανηρή διαδικασία είτε κάποια από αυτά δεν έχουν μετρηθεί ποτέ.Με την εκπόνηση της παρούσας διδακτορικής διατριβής επιχειρείται η διερεύνηση της λειτουργίας και του ισοζυγίου προσφοράς και ζήτησης παράκτιων υδροφόρων συστημάτων, αφενός υπό καθεστώς υπερεκμετάλλευσης και αφετέρου υπό συνθήκες κλιματικής αλλαγής, μέσω της εφαρμογής ενός μοντέλου διαχείρισης της ποσότητας τόσο των υπόγειων όσο και των επιφανειακών υδάτων. Για την κατάστρωση του διαχειριστικού μοντέλου χρησιμοποιείται το λογισμικό W.E.A.P. (Water Evaluation and Planning), το οποίο αποτελεί ένα εργαλείο ιδιαίτερα κατάλληλο για τον ολοκληρωμένο σχεδιασμό και τη διαχείριση των υδατικών πόρων και το οποίο λειτουργεί πάνω στη βασική αρχή του ισοζυγίου μάζας. Στο πλαίσιο του μοντέλου αυτού επιχειρείται λεπτομερής ανάλυση που αφορά στην πρόβλεψη της χωρικής και χρονικής διακύμανσης της υδατικής ζήτησης (υδρευτικές και αρδευτικές ανάγκες) για την περίοδο μελέτης. Επιπλέον, γίνεται πρόβλεψη της προσφοράς νερού (υπόγειου και επιφανειακού), λαμβάνοντας υπόψη και τον παράγοντα της κλιματικής αλλαγής, με τη χρήση δεδομένων από το δυναμικό κλιματικό μοντέλο RegCM3 (Regional Climate Model 3).Στο πλαίσιο του διαχειριστικού μοντέλου, το οποίο αναπτύχθηκε για την παρούσα διατριβή, διερευνώνται ποικίλα σενάρια διαχείρισης της ποσότητας των διαθέσιμων υδάτων και προτείνονται εναλλακτικές δράσεις προστασίας των υπόγειων υδροφορέων (όπως η λήψη μέτρων εξοικονόμησης αρδευτικού νερού, η κατασκευή φραγμάτων και η κατασκευή μονάδων αφαλάτωσης) καθώς και συνδυασμός αυτών. Η προαναφερθείσα διερεύνηση αφορά αφενός στη ζήτηση νερού και στο βαθμό στον οποίο κάθε εναλλακτική καταφέρνει να καλύψει τις υδατικές ανάγκες της περιοχής και αφετέρου στην προσφορά νερού και στη συμβολή κάθε δράσης στην προστασία των υπόγειων υδατικών αποθεμάτων. Ωστόσο, η αξιολόγηση των εναλλακτικών σεναρίων δεν αποτελεί απλή υπόθεση καθώς τα υδατικά ζητήματα είναι σύνθετα και χαρακτηρίζονται από πολυπλοκότητα. Ως εκ τούτου τα αποτελέσματα του διαχειριστικού μοντέλου δεν επαρκούν για την ορθή και ολοκληρωμένη αξιολόγηση των προτεινόμενων δράσεων. Για το σκοπό αυτό, σε επόμενο στάδιο διαμορφώνεται ένα μοντέλο λήψης αποφάσεων, το οποίο βασίζεται στην ανάλυση πολλαπλών κριτηρίων (multicriteria analysis). Τα πολυκριτηριακά μοντέλα ανάλυσης αποφάσεων αποτελούν ένα ιδιαίτερα ισχυρό και πολύτιμο εργαλείο στον τομέα της διαχείρισης νερού. Αυτό συμβαίνει διότι τα υδατικά ζητήματα έχουν ποικίλα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά, τα οποία πρέπει να ληφθούν υπόψη, ενώ προκύπτουν αντικρουόμενα συμφέροντα που αφορούν στη χρήση του νερού. Σε γενικές γραμμές η πολυσύνθετη και πολυδιάστατη φύση των υδατικών προβλημάτων δεν επιτρέπει την επίλυσή τους μεσώ της απλής κρίσης, από ένα μόνο φορέα λήψης αποφάσεων ή με γνώμονα μόνο ένα κριτήριο. Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αναπτύσσεται ένα σύνθετο πολυκριτηριακό μοντέλο λήψης αποφάσεων, με τη χρήση του λογισμικού Visual Promethee, το οποίο στοχεύει στην εύρεση της ευνοϊκότερης διαχειριστικής δράσης που μπορεί να εφαρμοστεί στην περιοχή μελέτης για την επίλυση των υδατικών προβλημάτων μέσω της αξιολόγησής τους με κριτήρια περιβαλλοντικά, οικονομικά, τεχνολογικά και κοινωνικά. Με άλλα λόγια απώτερος σκοπός της ανάλυσης είναι η λήψη απόφασης για την υλοποίηση της βέλτιστης διαχειριστικής πρακτικής, η οποία θα είναι αποδεκτή από την τοπική κοινωνία, τεχνικά και οικονομικά αποδοτική, καθώς και περιβαλλοντικά υπεύθυνη. Τελικά, η πιλοτική εφαρμογή της προτεινόμενης μεθοδολογίας πραγματοποιείται σε τέσσερα υδροφόρα συστήματα του νομού Χαλκιδικής (Επανομής-Μουδανιών, Κασσάνδρας, Ορμύλιας και Σιθωνίας), που αντιμετωπίζουν έντονα ποσοτικά και ποιοτικά υδατικά προβλήματα, τα οποία είναι άμεσα συνυφασμένα με τη ραγδαία τουριστική ανάπτυξη αλλά και την εντατικοποίηση των αγροτικών δραστηριοτήτων στην περιοχή, που οδηγούν στην αυξημένη εκμετάλλευση των υπόγειων υδατικών πόρων