The effect of climate changes on the ground water status of deep alluvial aquifers in function of ensuring the public water supply reliability

Predmet ovoga istraživanja je reakcija prirodnog sustava – dubokog aluvijalnog vodonosnika i izgrađenog sustava – sustava javne vodoopkrbe na klimatske ekstreme oborinskog režima i režima temperature zraka sa stajališta osiguranja dovoljnih količina zdravstveno ispravne vode za potrebe javne vodoopskrbe. Osnovni cilj ovoga istraživanja usmjeren je prema bilanciranju vodnih zaliha u funkciji osiguranja pouzdanosti i stabilnosti javne vodoopskrbe u uvjetima klimatskih ekstrema. Istraživanje je provedeno temeljem podataka o radu crpilišta Vinogradi i podataka prikupljenih sa izgrađene piezometarske mreže u zoni Crpilišta u razdoblju eksploatacije (od 1984. do 2015.g.) te mjerodavnih povijesnih podataka o količinama oborina i temperaturi zraka u istom razdoblju za promatrano područje. Crpilište Vinogradi je najveće crpilište u Republici Hrvatskoj na kojem je zahvaćen duboki aluvijalni vodnosnik. Na crpilište Vinogradi je oslonjen javni vodoopskrbni sustav putem kojeg se osigurava voda za ljudsku potrošnju za oko 125.000 stanovnika. Slijedom toga, za područje istraživanja je odabrano šire područje grada Osijeka. U radu su analizirane razine podzemne vode u navedenom razdoblju, zahvaćene količine podzemne vode te podaci o kakvoći podzemne vode u istom razdoblju. Analizirane su uzročno posljedične veze između pojave ekstremnih deficitarnih oborinskih odstupanja i s tim svezi pozitivnih ekstremnih odstupanja temperature zraka te stabilnosti javne vodoopskrbe oslonjene na duboke aluvijalne vodonosnike. Budući je dosadašnjim istraživanjima dokazano da je napajanje osječkog vodonosnika, iz kojega se zahvaća voda na crpilištu Vinogradi, isključivo putem infiltracije oborina, u radu je istražena varijabilnost oborina i s tim u svezi reakcija vodonosnika i vodoopskrbnog sustava na isto. U radu su opisane promjene količina oborina u razdoblju od 1980. do 2015.g te promjene temperature zraka u istom razdoblju. Zatim su utvrđene ekstremno sušne i ekstremno tople godine u navedenom razdoblju te se za takve uvjete napajanja i potrošnje vode provjerila reakcija vodonosnika u smislu oscilacija razina podzemne vode i reakcija vodoopskrbnog sustava u smislu varijacija količine crpljenja i isporuke vode potrošačima. U cilju utvrđivanja reakcije vodonosnika na uvjete višegodišnjeg niza malovodnih godina sa istovremenim ekstremnim povećanjem temperature zraka provedeno je modeliranje strujanja podzemne vode programskim paketom AnAqSim koji je zbog svoje robustnosti i mogućnosti da vrlo brzom obradom ponudi različita varijantna rješenja odabran kao primjereno sučelje za provjeru globalne reakcije vodnosnika i s tim u svezi reakciju javne vodooopskrbe na simulirani scenarij drastičnog pogoršanja klimatskih uvjeta. Simulirala se situacija petogodišnjeg niza ekstremno hidrološki deficitarnih uvjeta napajanja uz povećanje potreba za vodom. Provjerom ponašanja vodonosnika, modeliranjem toka podzemne vode u uvjetima petogodišnjeg oborinskog deficita, potvrđeno je kako niti dugogodišnja ekstremno sušna razdoblja ne ugrožavaju Crpilište do te mjere da bi se dovela u pitanje vodoopskrba. Temeljem provedene analize i rezultata dosadašnjih istraživanja trendova klimatskih promjena, dane su prognoze budućih klimatskih promjena kako na globalnoj razini tako i regionalno. Slijedom provedenog istraživanja te donesenih zaključaka predložena je metodologija određivanja klimatskih utjecaja na stabilnost javne vodoopskrbe oslonjene na aluvijalne vodonosnike i dane su smjernice za ublažavanje negativnog utjecaja očekivanih klimatskih promjena.Subject of this research is the reaction of (1) natural system – deep alluvial aquifers and (2) built system – system of public water supply, on climate extremes of rainfall regime and air temperature regime from the point of ensuringa sufficient of quantities sanitary approved water for the purpose of public water supply. The basic aim of this research was directed to balancing the water resources in function of ensuring the reliability and stability of public water supply in conditions of climate extremes. The research is carried out based on operation data of well field Vinogradi and groundwater leveldata collected from the piezometer network in the zone of sanitary protection of Well field, in the period of exploitation from 1984 to 2015, and applicable history data about rainfall quantities and air temperature in the same period, for the researched observed area. The Well field Vinogradi is the largest well field in the Republic of Croatia in which the deep alluvial aquifer is used for abstraction. The public water supply for about 125.000 inhabitants relies on the well field Vinogradi. Subsequently, the wider area of the City of Osijek was selected as research area In this research, groundwater levels, as well as the pumping rates and groundwater quality data were analyzed, through the mentioned period. Causal connections between extreme rainfall deviations and positive extreme air temperature deviations occurrence were also analyzed, as well as the stability of public water supply which relies on deep alluvial aquifer. Since the former researches have proved that the recharge of Osijek aquifer is ensured exclusively by rainfall infiltration, this thesis studies the rainfall variability, and subsequently – reaction of the aquifer and water supply system. This thesis describes the changes of rainfall quantities as well as air temperature changes in the period from 1980 to 2015 are described. Next extreme dry and extreme warm years in that period weredefined. After that, the reaction of aquifer was checked for water supply and consumption needs, in terms of fluctuations of ground water levels and reaction of water supply system in terms of variations of pumping rates and water delivery to consumers. With aim to define the reaction of aquifer in the conditions of multiannual sequence, with low water levels and with extreme increase of air temperature at the same time, simulationof underground water flow was performedusing the software package AnAqSim. Because of its robustness and ability to deliver different variable solutions (with very high effectivity), this application packagewas chosen as appropriate interface to control the global reaction of aquifer and, in this respect, reaction of public water supply on simulated scenario of drastic aggravation of climatic conditions. The situation of 5-years of hydrologically extremelow recharge conditions, along with an increase of water demand conditions was simulated. Through the simulation of aquifer reaction in groundwater flow model, the thesis that not even long term extremely dry periods do not pose a threat to the wellfield nor to the public water supply was comfirmed. Based on analyses and results of previous researches of climate changes trends, the prognoses of future climate changes, both on global and on regional levelare given. Subsequently to the research and to the adopted conclusions, the methodology fordefining climate influence on stability of public water supply which relieson alluvial aquifer is proposed. Also, the guidelines for mitigation of negative effects regarding expected climate changesaregiven