Interpretation of groundwater hydrographs in the West Thessaly basin, Greece, using principal component analysis.

Σεφερλή, Σταματίνα; Seferli, Stamatina

dc.contributor.author	Σεφερλή, Σταματίνα	el
dc.contributor.author	Seferli, Stamatina	en
dc.date.accessioned	2016-09-27T09:26:49Z
dc.date.available	2016-09-27T09:26:49Z
dc.date.issued	2016-09-27
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/43646
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.5446
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Γεωπληροφορική”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Groundwater hydrographs	en
dc.subject	West Thessaly basin	en
dc.subject	Overexploitation	en
dc.subject	Principal component analysis	en
dc.subject	Geostatistics	en
dc.subject	Υδρογραφήματα υδρογεωτρήσεων	el
dc.subject	Λεκάνη Δυτικής Θεσσαλίας	el
dc.subject	Υπεράντληση	el
dc.subject	Ανάλυση κύριων συνιστωσών	el
dc.subject	Γεωστατιστική	el
dc.title	Interpretation of groundwater hydrographs in the West Thessaly basin, Greece, using principal component analysis.	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Geology--Statistical methods	en
heal.classification	Hydrogeology	en
heal.classification	Geostatistics	en
heal.classification	Geo-informatics	en
heal.classification	Υδρογεωλογία	el
heal.classification	Γεωπληροφορική	el
heal.classification	Γεωστατιστική	el
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh85054051
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh85063439
heal.classificationURI	http://lod.nal.usda.gov/42800
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/0470dde7ed974578bbc4961549816f7b254efcb2
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/8b64cfb1c72d3dd0457d24f67c387c8f4807d0df
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/0470dde7ed974578bbc4961549816f7b254efcb2
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-06-30
heal.abstract	The scope of this work is to elucidate the use of Principal Components Analysis (PCA), a multivariate statistical procedure, as a tool to interpret the areal distribution of various types of water level fluctuation patterns within the watershed of Western Thessaly in Greece. In this area, intense ground water abstraction takes place during the last decades to cover the needs of agricultural activities, and is reported to have impacted significantly the ground water regime. For convenience, the study area was divided into three subareas, namely Farsala, Karditsa and Trikala, each of them containing a series of monitoring wells. In each of these areas, the water level variations for the past 40 years where examined thoroughly through plotted hydrographs. Then, PCA was applied in order to define a few uncorrelated linear combinations of the original hydrographs, which summarize the data set without losing much information. PCA revealed the existence of distinct temporal patterns in the available water level data, allowing the classification of wells into groups of similar behavior. The interpretation of the ground water level measurements with PCA can be used by the stake holders involved in ground water management (farmers, public authorities, general public, ecologists, etc.) to closely monitor the aquifers piezometry, through the identification of certain target wells from larger well groups. These target wells can be selectively measured in the long - term, allowing the sustainable monitoring and the collection of reliable ground level data.	en
heal.abstract	Η διαχείριση του νερού λόγω υψηλών αρδευτικών αναγκών είναι ένα μείζον θέμα που παρατηρείται τα τελευταία χρόνια σε πολλές περιοχές της χώρας μας και έχει απασχολήσει κατά καιρούς δεκάδες φορείς που προσπαθούν να διαχειριστούν το θέμα με τον καλύτερο δυνατό τρόπο. H Θεσσαλική πεδιάδα είναι μια από αυτές τις περιοχές, καθώς η άρδευσή της πραγματοποιείται αφενός μεν με γεωτρήσεις άντλησης υπογείων νερών και με διοχέτευση επιφανειακών νερών από τον Πηνειό ποταμό μέσω πολλαπλής χρήσης στραγγιστικού-αρδευτικού δικτύου, αφετέρου δε με χρήση νερού από μικρούς ταμιευτήρες, όπου αποθηκεύεται το πλεονάζον νερό που κινείται μέσα στο δίκτυο μέχρι την έναρξη των αρδεύσεων. Αναφορικά με τα υπόγεια νερά, αυτά εκμεταλλεύονται μέσω ενός πλήθους κρατικών και ιδιωτικών γεωτρήσεων οι οποίες έχουν ξεκινήσει από τη δεκαετία του 1970. Σημειώνεται μάλιστα ότι αποτελεί ένα από τα πιο ελλειμματικά διαμερίσματα της ηπειρωτικής χώρας σε νερό. Ειδικότερα, όσον αφορά τη λεκάνη της Δυτικής Θεσσαλίας που αποτελεί και την περιοχή μελέτης, οι τοπικοί υδατικοί πόροι, επιφανειακοί και υπόγειοι, παρά την ενίσχυσή τους από τις εκροές παράπλευρων ταμιευτήρων που έχουν κατασκευαστεί για το λόγο αυτό, δεν επαρκούν για την κάλυψη των απαιτήσεων σε αρδευτικό νερό των υφιστάμενων καλλιεργειών. Η έλλειψη επάρκειας σε έργα ταμίευσης σε συνδυασμό με τον μη ορθολογικό προγραμματισμό των καλλιεργειών, έχει οδηγήσει σε σημαντικό περιορισμό της θερινής ροής των ποταμών και δραματική υποβάθμιση των υδροφορέων, εξαιτίας της εντατικής χρήσης αρδευτικών γεωτρήσεων. Πιο αναλυτικά, το μεγαλύτερο τμήμα των υδροφόρων οριζόντων της Δυτικής Θεσσαλίας βρίσκεται κάτω από καθεστώς υπεράντλησης, η οποία ορίζεται ως «εντατική απρογραμμάτιστη και μη ελεγχόμενη “εκμετάλλευση” των υπόγειων νερών, συνοδευόμενη από οποιεσδήποτε ανθρώπινες παρεμβάσεις στο υπέδαφος που λειτουργούν αποστραγγιστικά, αφαιρώντας συχνά από τους υδροφορείς ποσότητες νερών μεγαλύτερες των υπερετήσια ανανεώσιμων υπόγειων υδατικών αποθεμάτων» (Κουμαντάκης, 2001). Είναι μια κατάσταση που οδηγεί σε εγκατάσταση καθεστώτος αρνητικού ισοζυγίου των υπογείων νερών. Με άλλα λόγια, υπάρχει συστηματική ταπείνωση της στάθμης από χρόνο σε χρόνο, ιδιαίτερα κατά το θέρος, όπου το νερό των υδρογεωτρήσεων αντλείται προκειμένου να χρησιμοποιηθεί για τις αρδεύσεις των καλλιεργειών, με συνέπεια τη γενική πτώση της υδροδυναμικής στάθμης. Αυτό που διαφέρει τοπικά είναι η ένταση της υπερεκμετάλλευσης και ο χρόνος κατά τον οποίο άρχισε η απότομη πτώση της στάθμης των υπογείων υδροφοριών, χωρίς περαιτέρω αναπλήρωση. Από την υπερεκμετάλλευση όμως σε ορισμένες περιοχές απορρέουν κι άλλα προβλήματα που σχετίζονται με την μετακίνηση του εδάφους, καθιζήσεις, κατολισθητικά φαινόμενα και κατά τόπους υφαλμύρινση των υπόγειων υδροφορέων. Γι’ αυτούς τους λόγους κρίνεται απαραίτητη η συστηματική παρακολούθηση της παροχής του Πηνειού και των κύριων παραποτάμων του, καθώς και της στάθμης του υδροφορέα, καθώς θεωρείται αναγκαίο βήμα για την αξιόπιστη εκτίμηση του υδατικού δυναμικού της Δυτικής Θεσσαλίας, επιφανειακού και υπόγειου, και τη λήψη των αναγκαίων διαχειριστικών μέτρων. Με αφορμή τα προβλήματα που υπάρχουν στη συγκεκριμένη λεκάνη, μελετήθηκε πλήθος γεωτρήσεων σε όλη την έκτασή της, με σκοπό την ερμηνεία υδρογραφημάτων υπόγειου νερού, με τη χρήση Ανάλυσης Κύριων Συνιστωσών (PCA). Οι στόχοι που έπρεπε να επιτευχθούν ήταν η εύρεση ομάδων γεωτρήσεων με ομοειδή χαρακτηριστικά που θα βοηθούσαν στη μείωση των γεωτρήσεων παρακολούθησης, εξασφαλίζοντας έτσι εξοικονόμηση οικονομικών πόρων και ανθρώπινου δυναμικού, καθώς και η ανάδειξη της PCA ως εργαλείου ερμηνείας της χωρικής κατανομής των διαφόρων τύπων διακύμανσης της στάθμης του νερού μέσα στη λεκάνη της Δυτικής Θεσσαλίας. Πιο συγκεκριμένα και για την καλύτερη διερεύνηση, η περιοχή μελέτης χωρίστηκε σε τρεις υποπεριοχές: τις περιοχές γύρω από τα Φάρσαλα, την Καρδίτσα και τα Τρίκαλα, κάθε μια από τις οποίες περιείχε μια σειρά από γεωτρήσεις παρακολούθησης. Ο διαχωρισμός αυτός βασίστηκε στην προϋπάρχουσα ταξινόμηση (κατά Καλλέργη 1970, Sogreah 1974, Κωνσταντινίδη 1978) βάσει υδρογραφικού δικτύου. Η πρώτη περιοχή περιλαμβάνει τον κώνο του ποταμού Σοφαδίτη, την πεδινή περιοχή γύρω από τα χωριά Αγ. Γεώργιο και Σταυρό καθώς και την πόλη των Φαρσάλων. Η δεύτερη βρίσκεται στο Ν-ΝΔ τμήμα της λεκάνης, συμπεριλαμβανομένης της ευρύτερης περιοχής του νομού Καρδίτσας που περιλαμβάνει πολλές ημιαγροτικές και αστικές περιοχές και χαρακτηρίζεται ως «υπόλοιπο Δυτικής πεδιάδας». Τέλος, η τρίτη περιοχή περιλαμβάνει το μεγαλύτερο μέρος της λεκάνης της Δυτικής Θεσσαλίας που διασχίζεται από τον Πηνειό και τους παραποτάμους του Πάμισο και Πορταϊκό. Στη συνέχεια, με σκοπό την απεικόνιση και κατανόηση της περιοχής και της σχέσης του υπόγειου νερού με τους σχηματισμούς που απαντώνται αναφορικά με την κίνησή του διαμέσου αυτών, κατασκευάστηκαν επιμέρους χάρτες της κάθε περιοχής, καθώς και συγκεντρωτικός χάρτης της λεκάνης με όλους τους λιθολογικούς σχηματισμούς, τη θέση των γεωτρήσεων και τη σχετική θέση των μεγαλύτερων πόλεων. Για τη δημιουργία των γεωλογικών χαρτών χρησιμοποιήθηκαν γεωλογικοί χάρτες του ΙΓΜΕ. Από τους χάρτες αυτούς προκύπτει ότι οι γεωλογικοί σχηματισμοί, οι οποίοι αποτελούν ρυθμιστικό παράγοντα των υδρολογικών συνθηκών της περιοχής, ανήκουν σε 4 κύριες γεωλογικές ενότητες. Στην μεταμορφωμένη Πελαγονική, που περιλαμβάνει γνεύσιους, κρυσταλλικούς σχίστες, φυλλίτες, κρυσταλλικούς ασβεστόλιθους, μάρμαρα και δολομίτες. Στην Υποπελαγονική που περιλαμβάνει σχίστες, ελαφρώς μεταμορφωμένους σχιστο-γνεύσιους, ιλιόλιθους, πηλίτες, ασβεστόλιθους, δολομίτες, οφιολίθους και φλύσχη. Στην ενότητα του Κόζιακα που περιλαμβάνει ασβεστόλιθους, κροκαλοπαγή, ιλυόλιθους και φλύσχη. Τέλος στην ενότητα της Πίνδου που περιλαμβάνει ασβεστόλιθους, πυριτιόλιθους, την ακολουθία του «πρώτου φλύσχη», μεταβατικά προς φλύσχη ιζήματα, φλύσχη. Εκτός των σχηματισμών των ανωτέρω γεωλογικών ενοτήτων, που έχουν δημιουργηθεί κατά την αλπική ορογένεση, συναντώνται και πλήθος νεογενών αποθέσεων όπως άργιλοι, ιλύες, μάργες, ιλυόλιθοι, κροκαλοπαγή, λατυποπαγή και μαργαϊκοί ασβεστόλιθοι, τεταρτογενείς αποθέσεις όπως αλλουβιακές, ποταμοχειμάρριες αποθέσεις, κορήματα και κώνοι κορημάτων, αλλά και η μόλασσα της Μεσοελληνικής αύλακας. Η περαιτέρω μελέτη βασίστηκε σε 62 γεωτρήσεις παρακολούθησης κατά τη διάρκεια της χρονικής περιόδου 1974 – 2014. Πιο αναλυτικά, 8 γεωτρήσεις μελετήθηκαν στην περιοχή των Φαρσάλων κατά την περίοδο Απρίλιος 1993 – Αύγουστος 2014, 24 στην περιοχή της Καρδίτσας κατά την περίοδο Ιούλιος 1974 – Νοέμβριος 1993 και 30 στην περιοχή των Τρικάλων κατά την περίοδο Απρίλιος 1983 – Ιούνιος 2005. Με βάση τις υπόγειες στάθμες νερών που ελήφθησαν από γεωτρήσεις των συγκεκριμένων περιοχών, δημιουργήθηκαν υδρογραφήματα, ώστε να φανεί η διακύμανση της στάθμης του νερού κατά τη διάρκεια μιας περιόδου 20 έως 23 ετών για κάθε περιοχή και να διερευνηθεί η πιθανή συσχέτιση γεωτρήσεων μεταξύ τους. Λόγω όμως της πολυπλοκότητας και του μεγάλου αριθμού των υδρογραφημάτων και κυρίως για την αποφυγή θεμάτων υποκειμενικότητας, η ανάλυση αυτή θα ήταν δυνατή μόνον μέσω της εφαρμογής της μεθόδου PCA. Η μέθοδος αυτή καταφεύγει στη δημιουργία δευτερογενών μεταβλητών - υδρογραφημάτων, οι οποίες είναι γραμμικοί συνδυασμοί των αρχικών, έτσι ώστε να είναι ασυσχέτιστες μεταξύ τους και να περιέχουν όσο το δυνατόν μεγαλύτερο μέρος της μορφολογίας των αρχικών. Προκύπτει δηλαδή ένας σημαντικά μικρότερος αριθμός ανόμοιων μεταξύ τους υδρογραφημάτων που ενυπάρχουν σε αντίστοιχες αναλογίες σε όλα τα αρχικά και μπορούν να τα ερμηνεύσουν με αρκετά μεγάλη ακρίβεια. Τα υδρογραφήματα αυτά ονομάζονται Κύριες Συνιστώσες. Από την εφαρμογή της PCA προέκυψε ότι το μεγαλύτερο ποσοστό της συνολικής πληροφορίας είναι συγκεντρωμένο στους τρεις πρώτους παράγοντες και για τις 3 υποπεριοχές. Το υδρογράφημα καθενός από τους ανωτέρω παράγοντες παρουσιάζει συγκεκριμένα μορφολογικά χαρακτηριστικά, τα οποία και τον διαφοροποιούν απολύτως από τους υπόλοιπους. Παραδείγματα παρόμοιων χαρακτηριστικών είναι στην περιοχή των Φαρσάλων η εμφάνιση εποχιακών μοτίβων σχήματος ανεστραμμένου “U” και ανεστραμμένου “V”, στην περιοχή της Καρδίτσας η εμφάνιση διετών κύκλων και στην περιοχή των Τρικάλων η εμφάνιση απότομων πτώσεων στάθμης. Ακολούθως, τα υδρογραφήματα των γεωτρήσεων για κάθε μια από τις 3 υποπεριοχές τοποθετήθηκαν σε ένα τρισδιάστατο διάγραμμα με συντεταγμένες το ποσοστό συμμετοχής τους σε κάθε μια από τις 3 κύριες συνιστώσες. Έτσι επιτεύχθηκε η σύγκριση των υδρογραφημάτων μεταξύ τους ανάλογα με την εγγύτητά τους στο διάγραμμα. Με βάση τα διαγράμματα αυτά έγινε ομαδοποίηση των γεωτρήσεων σε τρεις ομάδες για κάθε υποπεριοχή. Η κάθε μια από αυτές τις ομάδες μπορεί να χαρακτηριστεί από τη σχετική κυριαρχία ενός μόνο παράγοντα. Όπως διαπιστώθηκε στη συνέχεια από την τοποθέτηση των γεωτρήσεων στους γεωλογικούς χάρτες, η διαφοροποίηση στις συγκεκριμένες ομάδες αντανακλάται και στη χωρική τους κατανομή. Το γεγονός αυτό διευκολύνει τη φυσική ερμηνεία της συγκεκριμένης ομαδοποίησης βάσει των γεωλογικών χαρακτηριστικών του υπεδάφους, της εγγύτητας με επιφανειακά νερά, της σχετικής θέσης στην πιεζομετρική επιφάνεια καθώς και άλλων φυσικών παραμέτρων. Γενικότερα, τα υδρογραφήματα της κάθε γεώτρησης μαζί με τη στρωματογραφική της στήλη έδωσαν μια πιο ολοκληρωμένη περιγραφή της κάθε περιοχής όσον αφορά το υδρολογικό της καθεστώς, αφού δόθηκε ερμηνεία στην υδραυλική συμπεριφορά της κάθε γεώτρησης και στο κατά πόσο ήταν εύκολο να αναπληρωθεί μια ποσότητα ύδατος μετά από συνεχή άντληση δεδομένης της φύσης των πετρωμάτων. Με βάση τα ανωτέρω αποτελέσματα είναι δυνατό να προταθεί μείωση των γεωτρήσεων παρακολούθησης σε κάθε περιοχή με στόχο την εξοικονόμηση πόρων. Πιο συγκεκριμένα, στην περιοχή των Φαρσάλων προτείνεται η παρακολούθηση από την πρώτη ομάδα της γεώτρησης LB70 ως πλέον ενδεικτικής, της 540Β από τη δεύτερη ομάδα και της SR4 ως ενδεικτικής της τρίτης ομάδας. Όσον αφορά την Καρδίτσα, προτείνεται η γεώτρηση D36 ως ενδεικτική της πρώτης ομάδας, η PZ32 για τη δεύτερη ομάδα και η PZ19a για την τρίτη. Τέλος, στην περιοχή των Τρικάλων, οι γεωτρήσεις TB20, PZ1, PZ17 μπορούν να θεωρηθούν ενδεικτικές για τις τρεις ομάδες αντίστοιχα. Τα υδρογραφήματα των ανωτέρω προτεινόμενων γεωτρήσεων μοιάζουν περισσότερο σχηματικά με τους αντίστοιχους παράγοντες και συμπυκνώνουν τη συμπεριφορά της κάθε ομάδας. Δεδομένης της δύσκολης οικονομικής κατάστασης και της έλλειψης ανθρώπινου δυναμικού, και εφόσον η μείωση του αριθμού των γεωτρήσεων που παρακολουθούνται κριθεί αναγκαία, η παρακολούθηση μόνον των αντιπροσωπευτικών γεωτρήσεων όπως αυτές προτείνονται στην παρούσα εργασία, αποτελεί την ενδεδειγμένη λύση έτσι ώστε να ανακτάται το μεγαλύτερο ποσοστό της πληροφορίας σχετικά με τις διακυμάνσεις και τη γενικότερη συμπεριφορά του υδροφόρου ορίζοντα.	el
heal.advisorName	Μόδης, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Μόδης, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Αδάμ, Κατερίνα	el
heal.committeeMemberName	Κουμαντάκης, Ιωάννης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων Μεταλλουργών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	102 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true