Environmental - hydrogeological research of Glafkos river basin

The Glafkos’ river basin is extended on the west side of the Panaxaikon mountain in the northwest area of the prefecture of Achaia, southeast of the city of Patras, occupying a total extent of 101,67 Km2 and constituting the main source of Patras’ water needs. It is characterized by the mediocre growth of the hydrographical network (a dendrite type of draining) and consequently the high permeability of rocks and the important infiltration at the expense of the runoff. The most important torrents that flow through the region of research are Xiropotamos, Filiouras, Souta, Verveniou and Elekistrianiko, which contribute inside the Glafkos River. The Alpine folded basin’s basement includes a sequence of pre-orogenetic sediments (marine limestone, radiolarites, etc) of the Pindos zone, and a clastic orogenetic sequence (flysch), which is constituted by alternations of silt rocks, sandstones and rarely conglomerates. The layers of the Pindos zone emerged at the final phase of the folding tectonics in the Lower Oligocene, where the Pindos’ thrust occurred in the form of a nappe, above the Gavrovo – Tripolitsa zone. The foreheads of the thrusts between the slices as well as the axes of folds have a NW – SE direction, with the direction of movement from east to west, and have a direct relation to the majority of the karstic springs. In the region of Patraikos Gulf, what prevails is a rhomboid faulting system with high slope and ENE, WNW directed normal faults that create a mosaic of fragmentized tectonic blocks and a general rising of region that continues until today. The opening up of the valleys in the wider region of research, which is often accompanied by landslides, is determined from 4 bunches of neotectonic faults directed NW, NE, WNW and NNE. The Plio-quaternary cover that appears in the coastal and hilly region is constituted by two stratigraphical units. The lower one consists of clays and sands, which were deposited in a lacustrine to brackish environment of sedimentation during the Pliocene to the Lower Pleistocene and the upper one consists of Calabria dating from the deltaic and land conglomerates. Generally the alluvium deposits are characterized by lithological heterogeneity both at the vertical and the horizontal direction and their thickness presents a gradual increase from the northerner and southerner limits to the central department of the basin, which exceeds 200 m. The annual height of rainfall (1071 mms) in the region of research is quite high for our country’s data and fluctuates from 640 to 900 mms in flat regions, whereas in the mountainous regions it reaches 1560 mms. During the last years, what takes place is a seasonal displacement of rainfall from winter to spring and autumn, which leads to the loss of the available water of the active infiltration because of increased evaporotranspiration. From a hydrologic aspect, the Glafkos basin receives annually, on average, 108,89 106 m3 of the water from rainfall, from which 48,9 % comes back to atmosphere with the processes of evaporation and transpiration, 28,6 % rises on the surface and 22,5 % infiltrates, mainly in important, from a hydrogeological aspect, formations (limestones and quaternary depositions). The semi-independent hydrogeologically karstic units, which are developed because of the laminated and faulty tectonics in the region and differentiate the movement of groundwater, constitute a characteristic hydrogeological feature of the region of research. In relation to the alluvium deposits, the unconfined aquifer of the superior area is progressively bent and falls into successive under pressure (confined) aquifers in the coastal area. At the beginning of the ‘90s in the coastal region, because of the overpumping, negative values of the piezometric surface in a distance up to 3 Km from the coastline were realised, having as a consequence the salinity of coastal alluvium aquifer from the seawater intrusion. The reduction of pumping in the middle of the ‘90s led to the rise of piezometric levels and to the reappearance of the phenomena of artesian wells in the coastal area. Due to the elaboration of the pumping data, what was realised is the appearance of high values of the hydraulic conductivity’s factor in the alluvium aquifers of the coastal zone as well as in the karstic aquifers. The aquifers of the Neogene formations as well as the alluvium aquifers of the southern bank of the river Glafkos present a smaller speed of movement of groundwater as compared to those of the northern bank, because of the predominance of the fine-grained clastics. The most important factor of the recharge of the Glafkos’ basin alluvium aquifer is basically the costal recharge from the river bank and then follows the inductive recharge from the limestones, whereas the direct infiltrated water from the rainfall and from the surplus of the irrigation water seem to be the least important factors. Based on the balance of the inflows – outflows of the Glafkos’ basin alluvium aquifer, an average annual surplus of 6,5*106 m3 of water has resulted, during the hydrologic years 1999 –2002. Generally, the quality of water in the alluvium aquifers as well as in the aquifers of Neogene formations, but also that in the karstic aquifers is considered to be good, if the coastal area of the Glafkos’ basin is excluded. Most of the groundwater, as well as the surface and spring water, presented the geochemical type Ca-HCO3, which generally includes water of good recharge and renewal, mainly along the drainage axes. The time-space movement of the brackish zone in the coastal area, in the period 1999 –2002, was realised not only by the increased distribution of various ions but also by the utilisation of factors S. A. R., Revelle and Schoeller, as well as the ratios rBr-/rCl- and rBr-/rI-. During the period 1999 – 2002, a perceptible reduction of the pollution from the saline intrusion in the coastal region took place. The abundance of wells of automatic flow into coastal area, which drain 3,5*106 m3 of brackish water, annually, to the sea played an important role in the acceleration of the restoration of the coastal basin aquifers of the river Glafkos. The position and the time-space movement of the brackish zone in the coastal area was realised also by geoelectrical researches that took place with the dispositions Schlumberger, Wenner – Schlumberger and Pole – Pole. Geoelectrical research revealed that seawater intrusion rarely appears in the form of a forehead, but follows selective paths via the coarse-grained clastics, while the fine-grained clastic formations play the role of a hydraulic barrier. Finally, the geometry and the depth of the basement in the coastal area were determined with the application of the seismic reflection method. The need of artificial enrichment of the alluvium aquifer from the wintry flows of the Glafkos River is pointed out, for a more rapid restoration of the water quality and the increase of the Glafkos’ basin water potential. The DRASTIC method was applied for the estimation of the vulnerability of the groundwater towards exterior pollution, where based on the DRASTIC indicator’s values, a map of the vulnerability of the region of research was constructed. Areas of high vulnerability are located in the coastal part of the aquifer, while areas of medium vulnerability are located in the eastern part of the basin. Finally, a mathematic model of the Glafkos’ basin alluvium aquifers was constructed with the application of code MODFLOW, thus providing an as much as possible reliable model of the management of the Glafkos’ basin groundwater potential.Η λεκάνη του ποταμού Γλαύκου εκτείνεται επί των δυτικών κλιτύων του Παναχαϊκού, στο ΒΔ/κό τμήμα του νομού Αχαΐας, NA/κά της πόλης των Πατρών καταλαμβάνοντας συνολική έκταση 101,67 Km2 και αποτελεί την κύρια πηγή κάλυψης των υδατικών αναγκών της. Χαρακτηρίζεται από μέτρια ανάπτυξη υδρογραφικού δικτύου δενδριτικού τύπου αποστράγγισης και κατά συνέπεια υψηλή διαπερατότητα των πετρωμάτων και σημαντική κατείσδυση, σε βάρος της επιφανειακής απορροής. Οι σπουδαιότεροι από τους χείμαρρους που διαρρέουν την περιοχή έρευνας είναι ο Ξηροπόταμος, ο Φίλιουρας, η Σούτα, του Βερβενίου και το Ελεκιστριάνικο, οι οποίοι συμβάλουν εντός του Γλαύκου. Το αλπικά πτυχωμένο υπόβαθρο της λεκάνης περιλαμβάνει μια ακολουθία προορογενετικών ιζημάτων (πελαγικοί ασβεστόλιθοι, ραδιολαρίτες, κ.α.) της ζώνης Πίνδου, και μια συνορογενετική κλαστική ακολουθία (φλύσχης), που αποτελείται από εναλλαγές ιλυολίθων, ψαμμιτών και σπανιότερα κροκαλοπαγών. Τα στρώματα της ζώνης Πίνδου αναδύθηκαν με την τελική φάση των πτυχώσεων στο Κάτω Ολιγόκαινο, όπου έλαβε χώρα η επώθηση της Πίνδου, υπό μορφή καλύμματος, πάνω στη ζώνη Γαβρόβου – Τριπόλεως. Τα μέτωπα των επωθήσεων μεταξύ των λεπιών και οι άξονες των πτυχώσεων έχουν διεύθυνση ΒΔ – ΝΑ με κατεύθυνση της κίνησης από τα ανατολικά προς τα δυτικά και άμεση σχέση με την πλειονότητα των καρστικών πηγών. Στην περιοχή του Πατραϊκού κόλπου επικρατεί ένα ρομβοειδές σύστημα ρηγμάτωσης με μεγάλης κλίσης και ΑΒΑ/κής και ΔΒΔ/κής διεύθυνσης κανονικά ρήγματα που δημιουργεί ένα μωσαϊκό κατατεμαχισμένων τεκτονικών μπλοκ και μια γενική ανύψωση της περιοχής που συνεχίζεται μέχρι σήμερα. Τη διάνοιξη των κοιλάδων της ευρύτερης περιοχής έρευνας, η οποία συχνά συνοδεύεται από κατολισθήσεις, την καθορίζουν 4 δέσμες νεοτεκτονικών ρηγμάτων, ΒΔ/κής, ΒΑ/κής, ΔΒΔ/κής, και ΒΒΑ/κής διεύθυνσης. Το Πλειοτεταρτογενές επικάλυμμα που εμφανίζεται στην παράκτια και λοφώδη περιοχή αποτελείται από δύο λιθοστρωματογραφικές ενότητες. Η κατώτερη συνίσταται από αργίλους και άμμους, που αποτέθηκαν σε ένα λιμναίο έως υφάλμυρο περιβάλλον ιζηματογένεσης κατά τη διάρκεια του Πλειόκαινου έως το Κατώτερο Πλειστόκαινο και η ανώτερη από Καλάβριας ηλικίας δελταϊκά και χερσαία κροκαλοπαγή. Γενικά οι προσχώσεις χαρακτηρίζονται από λιθολογική ανομοιομορφία τόσο κατά την κατακόρυφη όσο και κατά την οριζόντια διεύθυνση και το πάχος τους παρουσιάζει βαθμιαία αύξηση από τα βορειότερα και νοτιότερα όρια προς το κεντρικό τμήμα της λεκάνης, όπου και υπερβαίνει τα 200 μ. Το ετήσιο ύψος βροχόπτωσης (1071 mm) στην περιοχή έρευνας είναι αρκετά υψηλό για τα δεδομένα της χώρας μας και κυμαίνεται από 640 – 900 mm στις πεδινές περιοχές, ενώ στις ορεινές περιοχές φθάνει τα 1560 mm. Τα τελευταία χρόνια παρουσιάζεται μια εποχιακή μετακίνηση των βροχοπτώσεων από τον χειμώνα προς την άνοιξη και το φθινόπωρο, η οποία συνεπάγεται απώλεια του διαθέσιμου νερού της ενεργής κατείσδυσης, λόγω αυξημένης εξατμισοδιαπνοής. Από υδρολογικής άποψης η λεκάνη του Γλαύκου δέχεται ετησίως κατά μέσο όρο 108,89 106 m3 νερού από βροχόπτωση, εκ’ των οποίων ποσοστό 48,9 % επανέρχεται στην ατμόσφαιρα με τις διαδικασίες της εξάτμισης και διαπνοής, 28,6 % απορρέει επιφανειακά και 22,5 % κατεισδύει, κυρίως σε σημαντικούς από υδρογεωλογική άποψη σχηματισμούς (ασβεστόλιθους και τεταρτογενείς αποθέσεις). Χαρακτηριστικό υδρογεωλογικό γνώρισμα της περιοχής έρευνας αποτελούν οι ημιαυτόνομες υδρογεωλογικά καρστικές ενότητες, που αναπτύσσονται λόγω της λεπιοειδούς και ρηξιγενούς τεκτονικής στην περιοχή και διαφοροποιούν την κίνηση του υπόγειου νερού. Σχετικά με τις προσχωματικές αποθέσεις του Τεταρτογενούς ο ελεύθερος υδροφόρος ορίζοντας της ανώτερης ζώνης κάμπτεται προοδευτικά και μεταπίπτει σε επάλληλους υπό πίεση υδροφόρους ορίζοντες στην παράκτια ζώνη. Στις αρχές της δεκαετίας του ’90 στην παράκτια περιοχή, λόγω της υπεράντλησης, διαπιστώθηκαν αρνητικές τιμές της πιεζομετρικής επιφάνειας σε απόσταση έως 3 Κm από την ακτή, με συνέπεια την αλμύρινση του προσχωματικού υδροφόρου από τη διείσδυση της θάλασσας. Η μείωση των αντλήσεων στα μέσα της δεκαετίας του ’90 οδήγησαν στην άνοδο των πιεζομετρικών στάθμεων και στην επανεμφάνιση φαινομένων αρτεσιανισμού των γεωτρήσεων της παράκτιας ζώνης. Από την επεξεργασία των αντλητικών δεδομένων διαπιστώθηκε η εμφάνιση υψηλών τιμών του συντελεστή της υδραυλικής αγωγιμότητας τόσο στους προσχωματικούς υδροφόρους της παράκτιας ζώνης, όσο και στους καρστικούς σχηματισμούς. Μικρότερες ταχύτητες κίνησης του υπόγειου νερού εμφανίζουν οι υδροφόροι των αποθέσεων του Νεογενούς, αλλά και των προσχώσεων της νότιας όχθης του ποταμού Γλαύκου σε σχέση με αυτούς της βόρειας όχθης, λόγω της επικράτησης των λεπτομερών έναντι των αδρομερών υλικών. Ο σημαντικότερος παράγοντας τροφοδοσίας του προσχωσιγενή υδροφόρου της λεκάνης του Γλαύκου είναι η πλευρική τροφοδοσία κατά μήκος της κοίτης του ποταμού και εν’ συνεχεία αυτός της πλευρικής τροφοδοσίας από τους ασβεστόλιθους, ενώ λιγότερο σημαντικοί εμφανίζονται οι παράγοντες του απευθείας κατεισδύοντος νερού από τις βροχοπτώσεις και από το περίσσευμα του προς αρδευτική χρήση νερού. Με βάση το ισοζύγιο εισροών – εκροών των προσχωματικών υδροφόρων της λεκάνης του Γλαύκου, για τα υδρολογικά έτη 1999 – 2002 προέκυψε μέσο ετήσιο πλεόνασμα 6,5*106 m3 νερού. Γενικά, αν εξαιρεθεί η παράκτια ζώνη της λεκάνης του Γλαύκου, η ποιότητα του νερού των προσχωσιγενών υδροφόρων, καθώς και των νεογενών αποθέσεων, αλλά και των καρστικών σχηματισμών της λεκάνης, κρίνεται καλή. Στην πλειονότητά τους τα υπόγεια νερά, όπως και τα επιφανειακά και τα πηγαία, εμφάνιζαν τον τύπο Ca-HCO3, που περιλαμβάνει γενικά νερά με καλή τροφοδοσία και ανανέωση κυρίως κατά μήκος των αξόνων αποστράγγισης. Η χωροχρονική μετακίνηση της ζώνης υφαλμύρινσης στην παράκτια ζώνη, την περίοδο 1999 – 2002, διαπιστώθηκε εκτός από την αυξημένη κατανομή διάφορων ιόντων και με την χρησιμοποίηση των συντελεστών S.A.R., Revelle και Schoeller, αλλά και των λόγων rBr-/rCl- και rBr-/rI-. Στη διάρκεια της περιόδου 1999 – 2002, προέκυψε μια αισθητή μείωση της ρύπανσης από τη διείσδυση θαλασσινού νερού στην παράκτια περιοχή. Σημαντικό ρόλο στην επιτάχυνση του ρυθμού της αποκατάστασης των παράκτιων υδροφόρων της λεκάνης του Γλαύκου διαδραμάτισε η πληθώρα γεωτρήσεων αυτόματης ροής στην παράκτια ζώνη, οι οποίες παροχετεύουν περί τα 3,5*106 m3 ρυπασμένου νερού, σε ετήσια βάση, προς τη θάλασσα. Η θέση και η χωροχρονική μετακίνηση της ζώνης υφαλμύρινσης στην παράκτια ζώνη διαπιστώθηκε επίσης από γεωηλεκτρικές έρευνες που πραγματοποιήθηκαν με τις διατάξεις Schlumberger, Wenner – Schlumberger και Pole – Pole. Από τη γεωηλεκτρική έρευνα διαπιστώθηκε ότι η διείσδυση του υφάλμυρου νερού σπανίως εμφανίζεται με τη μορφή μετώπου, αλλά ακολουθεί επιλεκτικές οδούς μέσω των αδρομερέστερων σχηματισμών, ενώ οι λεπτομερείς αργιλικοί σχηματισμοί παίζουν τον ρόλο υδραυλικού φραγμού. Τέλος, με τη μέθοδο της σεισμικής ανάκλασης προσδιορίστηκαν η γεωμετρία και το βάθος συνάντησης του υποβάθρου στην παράκτια ζώνη. Επισημαίνεται η ανάγκη τεχνητού εμπλουτισμού του προσχωσιγενή υδροφόρου ορίζοντα με τις χειμερινές απορροές του Γλαύκου για την ταχύτερη αποκατάσταση της ποιότητας του νερού και την αύξηση του υδατικού δυναμικού της λεκάνης. Εφαρμόστηκε η μέθοδος DRASTIC για την εκτίμηση της τρωτότητας των υπόγειων νερών απέναντι σε εξωτερική ρύπανση, όπου με βάση τις τιμές του δείκτη DRASTIC κατασκευάστηκε χάρτης τρωτότητας της περιοχής. Περιοχές υψηλής τρωτότητας εντοπίζονται στο παράκτιο τμήμα του υδροφορέα, ενώ αντίθετα περιοχές μέσης τρωτότητας στο Α/κό τμήμα του υδροφορέα. Τέλος, κατασκευάστηκε μαθηματικό ομοίωμα των υδροφορέων της προσχωματικής λεκάνης του Γλαύκου με την εφαρμογή του κώδικα MODFLOW παρέχοντας έτσι ένα όσο το δυνατόν πιο αξιόπιστο πρότυπο διαχείρισης του υπόγειου υδατικού δυναμικού της περιοχή έρευνας