Hydrogeological regime of the Thriassion Plain basin with emphasis on the geohydraulic characteristics of the aquifers and the groundwater quality

In the present doctoral thesis the Thriassion Plain, Attica, Greece has been studied. The aim of the study was to clarify the hydrogeological conditions prevailing in the area through the investigation of the hydraulic relationship of aquifers with the sea and the groundwater quality. The ultimate goal is the environmental remediation and the integrated water resource management of the aforementioned area. Thriassion Plain is a coastal area cultivated since ancient times about 120 km2 in extent which is underlain at shallow depth by alluvial and colluvial sediments. It is part of three hydrological basins of 475 km2 in total extent draining into Eleusis Gulf. The plain is very close to Athens. It is located at the border of a very complicated geological setting between non-metamorphic and metamorphic rocks of eastern Greece and Attica geotectonic units and near the volcanic arc of the eastern Mediterranean Sea and specifically the South Aegean Sea. In the middle of the twentieth century, there was uncontrolled agricultural and industrial development in the region. As a result of this unregulated development, the Thriassion Plain was experienced an environmental degradation. This also caused extensive deterioration of the groundwater quality. The geological structure of the narrow area of the Thriassion Plain is very complex, due to different sedimentary environments and facies alternations of torrential, lacustrine and lagoon sediments deposited during Neogene–Quaternary period. Thriassion Plain is dominated by alpine and post-alpine sediments and volcanic rocks of Palaeozoic to Caenozoic age. Hydrogeological conditions of the Thriassion Plain have been influenced significantly by stratigraphic and tectonic factors as well as the sea level changes during the Pleistocene. The main aquifers are the Plio–Pleistocene sediments as well as the Triassic limestone/dolomite and the Cretaceous limestone. Plio–Pleistocene sediments form a multi-layered aquifer system. This system has clay and marls as a local basement whereas the carbonate has the Palaeozoic sediments as a basement. Potentiometric surface and water table generally fluctuate between the highest level in April and the lowest in October. Seasonal water level fluctuations in the unconfined aquifer which develop in the Holocene sediments are between 0.4 and 0.5 m and between 1.5 and 2.1 m in the confined aquifers which develop in the Plio-Pleistocene ones. The upper aquifer is comprised of sediments of Upper Pleistocene to Holocene age that include clays, sands, gravels and pebbles, often forming breccia–conglomerate banks with low groundwater yields. The upper aquifer is generally unconfined and locally confined. Holocene clays occur in the coastal area and provide confined conditions. The aquifer is 2–10 m thick. Hydraulic head is up to 4–5 m while the hydraulic conductivity ranges between 0.4 and 4 m/d. Groundwater generally flows southwards under a hydraulic gradient of 1 to 3%. Holocene clays locally form barriers to groundwater flow causing an upwards leakage, which leads to the formation of marshes and swamps The second aquifer is made up of Lower Pleistocene sediments comprised of clays, sands, gravels and conglomerates. It is a multi-layered confined aquifer. Three to six aquifers exist in these sediments. The thickness of the aquifers is typically 1–3 m and may be up to 12–15 m in thickness. The third aquifer is made up of Plio–Pleistocene sediments comprised of marls with lignite layers in places, sands and marly limestones. It is difficult to distinguish these two aquifers because the third one is deep in the plain. Recharge is achieved from Pleistocene sediments leakage and preferential lateral flow from carbonate. The hydraulic conductivity of this aquifer ranges from 2 to 25 m/d and hydraulic head is up to 13 m amsl. Groundwater flows towards the coast under a hydraulic gradient of 1–5%. The Cretaceous limestone is fractured and an unconfined aquifer of high productivity develops. It is in hydraulic contact with the sea. Transmissivity is up to 5000 m2/d. The hydraulic gradient is between 0.5–1% and the head is up to 7–8 m amsl. The Triassic aquifer is either confined or unconfined depending on its location and the extent to which the aquifer has been affected by karstification and tectonism. It is comprised of limestone, dolomitic limestone and dolomite. Transmissivity is highly variable but is commonly about 8 m2/d. Groundwater flows to the south under a hydraulic gradient between 0.5–1% and discharges partly through coastal springs near Eleusis city and partly into Koumoundourou Lake. The head is up to +13.50 m amsl.Water samples from 36 wells and 14 boreholes were collected in 2012 during three seasons; 12 in January; 50 in May; and 38 in October. Chemical analyses of 100 water samples for major ions, minor ions, selected heavy metals and selected trace elements carried out during January, May and October 2012 were performed in the laboratory of Mineralogy and Geology in the Agricultural University of Athens. Temperature, pH, redox and EC were measured in situ on the head of the pumping column. The average analytical precision was better than 5%. Ion chromatography (IC) was used in determination of chloride, fluoride and bromide concentration as well as Li+, Na+, K+, Ca2+, Mg2+, NH4+, Sr2+, Mn2+, SO42-, NO3-, NO2-, PO43-. HCO3- was determined with the method of titration. CrVI was determined with polarography Fe2+, Ni+, Co+ were determined with the method of spectrophotometry. LOD and LOQ values were calculated based on calibration curve of peak area vs concentration of the standards using the following equations: LOD=3:3*σ/m and LOQ=10*σ/m where σ is the standard error of y-intercepts of the regression line and m is the slope of the regression line. LOD and LOQ were calculated 0.1 and 0.4 mg/l for fluoride, 0.8 and 2.3 mg/l for chloride and 0.02 and 0.06 for bromide, respectively. The chemical analyses indicated that the TDS values of groundwater ranges between 423 and 5486 mg/ l. The lower values have been mainly observed in the confined aquifers ranging between 520–2041 mg/l with median 1021 and 505–1824 mg/l in May–June and October, respectively. The higher values have been observed in unconfined aquifers ranging between 1310–5420 mg/l with median 2376 and 2627 mg/l and 1439–5486 mg/l in May–June and October, respectively. TDS at 423 mg/l was observed in Triassic marbles in the well 161΄ located NE of Aspropyrgos city. The processes that control halide concentrations in the Thriassion Plain aquifers include both natural and anthropogenic factors as follows: evaporation, dissolution of evaporites, domestic sewage as well as dissolution of minerals containing fluorine. The distribution of Cl/Br mass ratio and of fluoride concentrations has been used as environmental tracers, in order to investigate the origin and evolution of brackish groundwater. The proportion of chloride in groundwater that has been derived from sea water can be differentiated from the proportion derived from anthropogenic and other natural sources by comparing the mass ratio of dissolved chloride to dissolved bromide. The Cl/Br mass ratio varies from 43 to 1510. Values of the ratio ranging 100–200 indicate fresh water and around 292 indicate sea water influence. Similarly, values of the ratio between 400 and 600 indicate the effects of anthropogenic factors, such as domestic sewage and livestock farming. Ratio values ranging between 939 and 1510 are attributed to dissolution of halite. The evaporation of the irrigation water is also likely to have a significant impact on groundwater quality. Fluoride concentrations ranging from 0.1 up to 9.94 mg/l possibly originate from Holocene as well as Plio–Pleistocene sediments which contain organic material. It is also likely that fluoride originates from fluorite dissolution or comes from Palaeozoic-Middle Triassic volcano-sedimentary rocks which occur around the wider area and constitute the basement of the study area. In those rocks, the alteration of biotite to chlorite takes place under the influence of hydrothermal fluids, as the Thriassion Plain is close to South Aegean volcanic arc where volcanic activity exists.All the aforementioned evidence led to the development of a completely revised hydrogeological conceptual model of aquifer functioning in the Thriassion Plain. Last but not least, there is evidence that the multi-layered aquifer system extends far from shore below the sea floor of Eleusis Gulf containing fresh groundwater which is protected from sea water influence by thick clay layers. The results of this study may motivate the expansion of research in groundwater resources below the sea floor and consequently a new perspective on water resource management could emerge.Η περιοχή μελέτης της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι το Θριάσιο Πεδίο. Ο σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η διασαφήνιση των υδρογεωλογικών συνθηκών που επικρατούν στην περιοχή μέσα από την διερεύνηση της υδραυλικής σχέσης των υδροφορέων με την θάλασσα, την διερεύνηση των ποιοτικών χαρακτηριστικών του υπόγειου νερού με απώτερο σκοπό την περιβαλλοντική αποκατάσταση και εν τέλει την ολοκληρωμένη διαχείριση του υδατικού δυναμικού της περιοχής. Η έρευνα ανέδειξε τον σημαντικό ρόλο της στρωματογραφίας η οποία μαζί με την τεκτονική και τις μεταβολές της στάθμης της θάλασσας λόγω ευστατισμού καθόρισαν ουσιαστικά το υδρογεωλογικό καθεστώς της περιοχής με την ανάπτυξη μίας «ακολουθίας υδροφόρων οριζόντων» η οποία τελεί υπό πίεση. Καθορίστηκαν τρεις υδροστρωματογραφικές ενότητες (ΥΣΕ) με κριτήρια γεωλογικά (γεωλογικοί σχηματισμοί, καρστικοποίηση και τεκτονισμός, στρωματογραφία), υδρογεωλογικά (περιοχές τροφοδοσίας και εκφόρτισης, τύπος υδροφορέα, το είδος του συστήματος υπόγειας ροής, επικοινωνία υδροφορέων τόσο μεταξύ τους όσο και με την θάλασσα), υδροχημικά (περιβαλλοντικοί ιχνηθέτες) και υδραυλικά (υδραυλικά φορτία, υδραυλική κλίση, υδραυλικά χαρακτηριστικά). Η πρώτη υδροστρωματογραφική ενότητα αποτελείται από τους υδροφορείς των Νεογενών-Τεταρτογενών ιζημάτων. Διακρίνεται στην υποενότητα των ιζημάτων του Ολοκαίνου-Αν. Πλειστοκαίνου με κατεύθυνση του υπόγειου νερού γενικά προς τα Ν-ΝΔ και στην υποενότητα των ιζημάτων του Πλειο-Πλειστοκαίνου η οποία βρίσκεται βαθύτερα της πρώτης με κατεύθυνση του νερού προς τα ΝΑ όπου εν μέρει εκφορτίζεται ως προς τα πάνω διαρροή (upwards leakage) στην παραλιακή ζώνη, ενώ ο κύριος όγκος νερών κινείται με πολύ μικρή ταχύτητα ή πολύ πιθανόν αποσφηνώνεται λόγω της παρουσίας της νήσου Σαλαμίνας. Η δεύτερη ΥΣΕ περιλαμβάνει τον υδροφόρο των Κρητιδικών ασβεστολίθων στους οποίους αναπτύσσεται ένα ενδιάμεσο και κατά θέσεις τοπικό σύστημα υπόγειας ροής προς τα ΝΔ. Η τρίτη ΥΣΕ αναπτύσσεται στο σύμπλεγμα των Τριαδικών ιζημάτων όπου αναπτύσσεται ένα εκτεταμένο σύστημα υπόγειας ροής που επικρατεί σε όλη την ευρύτερη περιοχή με πολλές ιδιαιτερότητες. Διενεργήθηκαν δοκιμαστικές αντλήσεις στα πηγάδια των Πλειο-Πλειστοκαινικών ιζημάτων και βρέθηκαν οι τιμές μεταβιβαστικότητας Τ να κυμαίνονται από 10 έως 200 m2/d (ή 0,0001 έως 0,001 m2/s), οι τιμές αποθηκευτικότητας S από 0,02 έως 0,0001 και οι τιμές υδραυλικής αγωγιμότητας από 0,2 έως 21 m/d. Διερευνήθηκε για πρώτη φορά η ανισοτροπία των υδροφορέων με την βοήθεια επίσης των δοκιμαστικών αντλήσεων και κατορθώθηκε να ανιχνευθεί μόνο σε μία περιοχή πλησίον του πηγαδιού Νο 54. Σχεδιάσθηκε το ελλειψοειδές της ανισοτροπίας με διεύθυνση μεγάλου άξονα Β7Α. Η διενέργεια μετρήσεων παροχής στα ρ. Σαρανταπόταμου και ρ. Γιαννούλας ανέδειξε την γραμμικότητα των λεκανών τους κατά 97-99% και κατασκευάσθηκαν οι καμπύλες στάθμης-παροχής του ρ. Σαρανταπόταμου Q=14,856h^2,5582 και του ρ. Γιαννούλας Q=15,477h^3,5366 . Προσδιορίσθηκε επίσης η σχέση ύψους βροχής-απορροής για την λεκάνη του ρ. Σαρανταπόταμου σχεδόν αμέσως μετά τις πρώτες βροχές, y=7073,8x-26494. Μελετήθηκε η χημική σύσταση των υπόγειων νερών η οποία επικεντρώθηκε στην παρουσία των αλογόνων F-, Cl-, Br- και την χρήση τους για πρώτη φορά ως περιβαλλοντικούς ιχνηθέτες. Τα αποτελέσματα έδειξαν μία σύνθετη κατανομή της αλατότητας η οποία προέρχεται από ανθρωπογενή δραστηριότητα και φυσικές διαδικασίες όπως η εξάτμιση του νερού της άρδευσης και η διάχυση υφάλμυρου νερού μέσω των πηγαδιών και διαμέσου των αργίλων της παραλιακής ζώνης. Στα δείγματα του Οκτωβρίου, διαφοροποιήθηκαν τα χλωριόντα τα οποία προέρχονται από την θάλασσα από εκείνα που προέρχονται από άλλες πηγές με την χρήση του λόγου μάζας Cl-/Br-. Τιμές γύρω και πάνω από το 1000 αποδίδονται στην παρουσία υπολειμματικών εβαποριτικών αλάτων και κυρίως αλίτη στην περιοχή, τιμές του λόγου μεταξύ 400 και 600 υποδηλώνουν ρύπανση από αστικά και κτηνοτροφικά λύματα, ενώ τιμές μικρότερες του 50 υποδηλώνουν την παρουσία υπολειμμάτων υπεράλμυρων νερών (brines). Επομένως, σύγχρονη πλευρική διείσδυση της θάλασσας στους Πλειο-Πλειστοκαινικούς υδροφόρους δεν υφίσταται και η αλατότητα είναι πολύ πιθανόν να προέρχεται από διείσδυση θαλασσινού νερού, παλαιότερης γεωλογικά περιόδου, το οποίο εγκλωβίστηκε από τις μεταβολές της στάθμης της θάλασσας κατά το Πλειστόκαινο. Επιπρόσθετα, τιμές του λόγου F-/Cl- 200 έως 500 φορές μεγαλύτερες από αυτήν του θαλασσινού νερού και δεδομένου ότι η διάλυση ορυκτών που περιέχουν φθόριο απαιτεί εκατοντάδες έως και χιλιάδες χρόνια για να πραγματοποιηθεί, ενισχύεται η άποψη ότι το νερό αυτό δεν προέρχεται από σύγχρονη πλευρική διείσδυση της θάλασσας. Είναι πολύ πιθανή η παρουσία ενός γεωθερμικού πεδίου χαμηλής ενθαλπίας το οποίο τροφοδοτεί με νερό τους υπόγειους υδροφορείς της περιοχής και προέρχεται από τα μεταπυροκλαστικά/μεταηφαιστειακά του Παλαιοζωικού-Κατ. Τριαδικού.Τέλος από την έρευνα προκύπτει ότι οι υδροφορείς είναι πολύ πιθανόν να εκτείνονται κάτω από τον πυθμένα της θάλασσας δημιουργώντας έτσι στρώματα γλυκού νερού τα οποία απομονώνονται από την παρουσία μεγάλου πάχους στρωμάτων αργίλου από την επίδραση της θάλασσας. Το τελευταίο είναι πολύ σημαντικό για την διαχείριση των υδατικών πόρων σε παράκτιους υδροφόρους με παρόμοιες υδρογεωλογικές συνθήκες. Αυτό είναι ένα σημαντικό θέμα που θα μπορούσε να διερευνηθεί με περισσότερη λεπτομέρεια. Νέοι τρόποι επέκτασης της έρευνας για υπόγεια νερά θα μπορούσαν να αναζητηθούν κάτω από τον πυθμένα του Κόλπου της Ελευσίνας, γεγονός που είναι εφικτό λόγω του μικρού βάθους του Κόλπου Ελευσίνας ο οποίος έχει μέγιστο βάθος 34 m. (Μέσο βάθος 18 m.). Με αυτόν τον τρόπο θα μπορούσε να προκύψει μια νέα προοπτική για τη διαχείριση των υδατικών πόρων