i Περίληψη Η περιοχή που εξετάζεται βρίσκεται στην νήσο Κω, η οποία ανήκει στο νησιωτικό σύµπλεγµα των ωδεκανήσων και εντοπίζεται στο νοτιοανατολικό τµήµα του Ελλαδικού χώρου. Ειδικότερα, η στενή περιοχή µελέτης αφορά στην πεδινή παράκτια έκταση που διαµορφώνεται στο βόρειο τµήµα της νήσου Κω, η οποία εκτείνεται σε διεύθυνση περίπου Ν -ΑΒΑ, από την περιοχή δυτικά του Μαστιχαρίου έως την περιοχή του Ψαλιδίου στα ανατολικά-βορειοανατολικά, και από την ακτογραµµή στα βόρεια έως πριν τον οικισµό της Αντιµάχειας στα νοτιοδυτικά και τον ορεινό όγκο του ίκαιου στα νότια-νοτιοανατολικά. Η συνολικήέκτασητηςυπόεξέτασηπεριοχήςανέρχεταιστα 83,13 km 2 περίπου, καιαποτελεί έτσιπερίπουτο 29% τηςσυνολικήςέκτασηςτουνησιού. Η ευρύτερη περιοχή δοµείται από πληθώρα γεωλογικών σχηµατισµών, σύµφωνα µε τους γεωλογικούς χάρτες κλίµακας 1:50.000 του Ι.Γ.Μ.Ε. (Φύλλα Ανατολική Κως: ΤριανταφύλληςΜ., 1998 και υτικήκως Κέφαλος: ΤριανταφύλληςΜ. & αλαµπάκηςπ., 1994). Ως αλπικό υπόβαθρο του νησιού εµφανίζονται ηφαιστειοϊζηµατογενείς σχηµατισµοί Παλαιοζωικής και Μεσοζωικής ηλικίας (φυλλίτες και πηλίτες µε ενδιαστρώσεις ασβεστόλιθων και µαρµάρων και παρεµβολές µεταηφαιστιτών), οι οποίοι αποκαλύπτονται στην επιφάνεια, µόνο στο νότιο τµήµα της νήσου. Επωθηµένο επάνω σε αυτούς παρατηρείται κατά θέσεις το Τεκτονικό Κάλυµµα της ενότητας Γαβρόβου (ασβεστόλιθοι και φλύσχης), επάνω στο οποίο βρίσκεται µε την σειρά της επωθηµένη η Ανώτερη Τεκτονική Ενότητα (δολοµίτες, δολοµιτικοί ασβεστόλιθοι και ασβεστόλιθοι µε εντρώσεις κερατολίθων, φυλλίτες ψαµµίτες και ολισθόλιθοι υπερβασικών πετρωµάτων). Υπερκείµενοι των σχηµατισµών του αλπικού υποβάθρου τοποθετούνται πολλοί µεταλπικοί σχηµατισµοί του Τριτογενούς (φλεβικά και ηφαιστειακά πετρώµατα, πλουτωνίτης και κυρίως λιµναίοι µαργαϊκοί σχηµατισµοί) και του Τεταρτογενούς (θαλάσσιες αποθέσεις, ηφαιστειακοί τόφφοι, κροκαλολατυποπαγή, χερσαίες αποθέσεις, αργιλικά υλικά, αλλουβιακές και παράκτιες αποθέσεις), οιοποίοικαταλαµβάνουνµεγάλοτµήµατουνησιού. Προκειµένου να οριοθετηθεί η στενή περιοχή µελέτης, δηλαδή ο υπό εξέταση υδροφορέας, έγινε αρχικά µία προσπάθεια διαχωρισµού των γεωλογικών σχηµατισµών της περιοχής από υδρολιθολογική σκοπιά, βάσει της εκτιµώµενης διαπερατότητας που αυτοί αναµένεται να εµφανίζουν. Έτσι, ως διαπερατοί σχηµατισµοί αναµένεται ότι χαρακτηρίζονται οι πορώδεις σχηµατισµοί των αλλουβιακών, παράκτιων και θαλάσσιων αποθέσεων, οι οποίοι είναι οι σχηµατισµοί που αποτελούν τον υδροφορέα που εξετάζεται, καθώς και οι καρστικοί και
ii ρωγµατωµένοι ανθρακικοί σχηµατισµοί του υποβάθρου. Αντίθετα, ως πρακτικά αδιαπέρατοι γιατιςανάγκεςτηςπαρούσαςεργασίαςκρίνονταιόλοιοιυπόλοιποιγεωλογικοίσχηµατισµοί, οι οποίοι αφορούν κυρίως σε πυριγενή πετρώµατα και αργιλικούς και µαργαϊκούς σχηµατισµούς. Στις θέσεις όπου οι πρακτικά αδιαπέρατοι σχηµατισµοί γειτνιάζουν µε τις διαπερατές αλλουβιακές, παράκτιες και θαλάσσιες αποθέσεις, ο υδροφορέας οριοθετείται πλευρικά µε φυσικόόριο. Αυτόσυµβαίνειστονοτιοανατολικό, νότιοκαιδυτικότµήµατουυδροφορέα, ενώ προς Βορρά, ο υδροφορέας οριοθετείται από την θάλασσα. Έτσι παραµένει προς οριοθέτηση ένα τµήµα στα νοτιοδυτικά, στο οποίο από Βορρά έως Νότο απαντώνται οι διαπερατέςθαλάσσιεςαποθέσεις. Γιατηνοριοθέτησηαυτούτουτµήµατος, απουσίαφυσικώνγεωµορφώνκαιστοιχείων, δεν µπορεί να χρησιµοποιηθεί κάποιο φυσικό όριο και ως εκ τούτου πρέπει να ευρεθεί ένα υδραυλικό (τεχνητό) όριο. Για τον σκοπό αυτό, αφού συλλέχθηκαν µετρήσεις στάθµεων παλαιών ετών (1988 και 1993) σε γεωτρήσεις της περιοχής, κατασκευάστηκε ένας πιεζοµετρικός χάρτης. Από την παρατήρηση αυτού προέκυψε ότι ο υπό εξέταση υδροφορέας µπορεί να οριοθετηθεί πλευρικά στο νοτιοδυτικό τµήµα µε την χρήση υδραυλικού ορίου µηδενικήςροής, τοοποίοαφοράσευπόγειουδροκρίτηπουεντοπίσθηκε. Εκτός της πλευρικής οριοθέτησης, για τις ανάγκες της παρούσας εργασίας απαιτείται και η κατακόρυφη οριοθέτηση του υπό εξέταση υδροφορέα ή αλλιώς η εκτίµηση του πάχους του. Βάσει λιγοστών στοιχείων υδρογεωτρήσεων και σε συνδυασµό µε τους γεωλογικούς χάρτες της περιοχής, κατασκευάσθηκαν τέσσερις γεωλογικές τοµές, από τις οποίες εκτιµήθηκε ότι το πάχος των σχηµατισµών που συνιστούν τον υδροφορέα είναι της τάξης των 100 µέτρων περίπου, ενώ υποκείµενοι αυτών αναµένεται ότι συναντώνται αδιαπέρατοι σχηµατισµοί. Ως εκ τούτου, ο υπό εξέταση υδροφορέας είναι φρεάτιος (ελεύθερος) και συνίστανται κυρίως από τους σχηµατισµούς των αλλουβιακών προσχώσεων και των θαλάσσιων αποθέσεων. Βάσει βιβλιογραφικών πηγών, η υδραυλική αγωγιµότητα αυτών εκτιµάται ότι είναι της τάξης του Κ = 5 m/day στην περίπτωση των θαλάσσιων αποθέσεων (άµµοι και χαλαροί ψαµµίτες) και της τάξης του Κ = 2 m/day στην περίπτωση των αλλουβιακών προσχώσεων (αργιλοαµµώδηυλικά).
iii Στην συνέχεια, για τις ανάγκες της παρούσας εργασίας, έγινε συλλογή κλιµατολογικών στοιχείων για την περιοχή από τους µετεωρολογικούς και βροχοµετρικούς σταθµούς της Εθνικής Μετεωρολογικής Υπηρεσίας και του Υπουργείου Αγροτικής Ανάπτυξης. Από την επεξεργασία αυτών προέκυψαν τα γενικά κλιµατολογικά χαρακτηριστικά που διέπουν την περιοχή που µελετάται. Ειδικότερα, η µέση ετήσια θερµοκρασία είναι 14,4 C, µε ψυχρότερο µήνα τον Φεβρουάριο (µέση µηνιαία θερµοκρασία 10,7 C) και θερµότερο µήνα τον Ιούλιο (26,1 C). Τοµέσούψοςβροχήςανέρχεταιπερίπουστα 545 mm ετησίως (544,9 mm), µετις περισσότερες βροχοπτώσεις να παρατηρούνται τον εκέµβριο και τις λιγότερες έως µηδενικές τον Ιούλιο. Επίσης, επικρατούν Βόρειοι άνεµοι κατά τους χειµερινούς µήνες (από Οκτώβριο έως Μάρτιο) και Βορειοδυτικοί κατά τους καλοκαιρινούς µήνες (από Απρίλιο έως Σεπτέµβριο). Ακολούθως, βάσει των κλιµατολογικών δεδοµένων που συλλέχθηκαν, έγινε προσπάθεια εκτίµησης του υδρολογικού ισοζυγίου της υπό µελέτη περιοχής. Ως γνωστόν, η εξίσωση του υδρολογικού ισοζυγίου, στην περίπτωση µακροχρόνιων εκτιµήσεων, εκφράζεται απότηνισότητατωνεισροώνκαιτωνεκροώνµίαςυδρολογικήςλεκάνης, δηλαδήισχύει : (Εισροές) = (Εκροές) Στην περίπτωση της περιοχής που εξετάζεται, εισροές αποτελούν µόνο τα ατµοσφαιρικά κατασκρηµνίσµατα, ενώ εκροές αποτελούν η εξατµισοδιαπνοή, η κατείσδυση και η επιφανειακήαπορροή, ηοποίαθεωρείταιπρακτικάαµελητέα. Τελικά, ισχύειηεξίσωση: P = E+ R+ I όπου: P είναι τα ατµοσφαιρικά κατακρηµνίσµατα που πέφτουν και τροφοδοτούν την λεκάνη που εξετάζεται, ταοποίααποτελούνδεδοµένο (544,9 mm/έτος). E είναιτοποσοστόνερούπουδιαφεύγειαπότοσύστηµαµέσωτηςεξατµισοδιαπνοής. Αυτό αφορά στην πραγµατική εξατµισοδιαπνοή του συστήµατος και υπολογίστηκε µε την µέθοδο του Turc, ίση µε 468,40 mm/έτος. Η µέθοδος αυτή δεν είναι η βέλτιστη για τον υπολογισµό της εξατµισοδιαπνοής, ήταν όµως η µοναδική που µπορούσε να εφαρµοστεί για ταδεδοµέναπουυπήρχανγιατηνπεριοχή. R είναι το ποσοστό νερού που απορρέει επιφανειακά, το οποίο στην περίπτωση που εξετάζεται κρίνεται αµελητέο κυρίως λόγω του εποχιακού χαρακτήρα του και της περιορισµένηςέκτασηςτουφαινοµένου. I είναι το ποσοστό νερού που κατεισδύει εντός του εδάφους και κυρίως τροφοδοτεί τον υπόγειο υδροφορέα. Η κατείσδυση I αποτελεί τον µόνο άγνωστο στην παραπάνω εξίσωση τουυδρολογικούισοζυγίου, απότηνοποίακαιυπολογίστηκε 76,5mm/έτος (= 2,1 10-4 m/day).
iv Αφού πραγµατοποιηθήκε η παραπάνω συλλογή και επεξεργασία των διαθέσιµων δεδοµένων για την περιοχή µελέτης, και τελικά η διερεύνηση των βασικών χαρακτηριστικών τουυδροφορέα, ακολούθησετο στήσιµο τουµοντέλουπροσοµοίωσης. Η προσοµοίωση του παράκτιου φρεάτιου υδροφορέα της βόρειας Κω βασίστηκε στο µοντέλο των Mantoglou et al (2004), το οποίο εφαρµόζεται σε παράκτιους φρεάτιους υδροφορείς σε συνθήκες µόνιµης ροής και βασίζεται στην θεώρηση απότοµης και ακίνητης διεπιφάνειας αλµυρού-γλυκού νερού, στην προσέγγιση Ghyben-Herzberg, άρα και στην παραδοχήοριζόντιαςροής, καιστηνανάλυσηκατά Strack. Σύµφωνα µε τον Strack (1976), ο παράκτιος φρεάτιος υδροφορέας θεωρείται ότι αποτελείταιαπόδύοζώνες, τηνζώνη 1 όπουυπάρχειµόνογλυκόνερόκαιουπόεξέταση υδροφορέας συµπεριφέρεται ως ένας συνήθης φρεάτιος υδροφόρος και την ζώνη 2 όπου το γλυκό νερό επιπλέει επάνω από το αλµυρό (αλάτινη σφήνα), δηµιουργώντας έτσι µία απότοµη διεπιφάνεια. Με την θεώρηση της έννοιας του δυναµικού φ, επιτυγχάνεται η ισχύς µίας γενικής εξίσωσης συνέχειας και για τις δύο ζώνες, η οποία στην περίπτωση της παρούσαςεργασίας, γιατονπαράκτιουδροφορέατηςβόρειαςκω, έχειτηνµορφή: φ φ K + = 0 + N x y ώστε να περιλαµβάνεται η επιφανειακή τροφοδοσία N του υδροφορέα, ενώ όπου K είναι η υδραυλικήαγωγιµότητα. Σύµφωνα µε τους Mantoglou et al (2004), η παραπάνω εξίσωση, η οποία αποτελεί την εξίσωση συνέχειας στην περίπτωση του παράκτιου υδροφόρου που µελετάται, µοιάζει µε την εξίσωση οριζόντιας ροής που ισχύει στην περίπτωση οµογενή και ισότροπου περιορισµένου υδροφορέα, ηοποίαέχειτηνµορφή: ϕ ϕ T + + = 0 N x y όπου T είναιηµεταφορικότητακαι ϕ τοπιεζοµετρικόφορτίο. Τελικά λοιπόν, η προσοµοίωση του παράκτιου φρεάτιου υδροφορέα ανάγεται στην προσοµοίωση της ροής ενός συνήθη περιορισµένου υδροφορέα, ο οποίος έχει τιµή µεταφορικότητας T ίση µε την υδραυλική αγωγιµότητα K του υπό εξέταση υδροφορέα. Ως εκ τούτουηπροσοµοίωσηαυτήµπορείναγίνειµετηνεφαρµογήτουκώδικα Modflow καιτο αποτέλεσµά της θα είναι η εκτίµηση του δυναµικού φ. Κατά την παρούσα εργασία χρησιµοποιήθηκε το Processing Modflow Pro (PMWINpro) (Chiang & Kinzelbach, 2001, Chiang, 2005, WebTech360).
v Στην συνέχεια, σε περιβάλλον Matlab, µε γνωστές τις τιµές του δυναµικού φ σε κάθε θέσητουυδροφορέα, ηθέσηκαιηµορφήτηςδιεπιφάνειαςµπορούνναεκτιµηθούνµετην προσέγγιση Ghyben-Herzberg, σύµφωνα µε την οποία το βάθος κάτω από το επίπεδο της θάλασσας στο οποίο βρίσκεται η διεπιφάνεια ισούται µε: z = ξ = 40 ( h f d), όπου 0,05 h f = φ + d 1,025, είναιτουδραυλικόφορτίογλυκούνερούγιατηνζώνη 2 και d = 100m είναιτοβάθοςτηςθάλασσαςµεεπίπεδοαναφοράςτονπυθµένατουυδροφορέα. Το µοντέλο αυτό εφαρµόστηκε στον παράκτιο φρεάτιο υδροφορέα της βόρειας Κω, και έτσι εκτιµήθηκε ότι η θέση του πόδα της αλάτινης σφήνας φθάνει σε απόσταση που κυµαίνεται, ανάλογαµετηνθέση, µεταξύ 500 1.000 m απότηνακτογραµµή. Στην συνέχεια, ο υπό εξέταση υδροφορέας προσοµοιώθηκε µε απλή εφαρµογή του κώδικα Modflow, ως ένας απλός (µη παράκτιος) φρεάτιος υδροφορέας, αγνοώντας τις επιπτώσεις λόγω πυκνότητας. Η προσοµοίωση αυτή, η οποία ουσιαστικά θεώρησε οριακή συνθήκη γλυκού νερού στην θάλασσα, δεν ενδείκνυται στην περίπτωση παράκτιων υδροφορέωνκαιστηνπαρούσαεργασίαέγινεµόνογιαλόγουςσύγκρισης. Πράγµατι, σε σχέση µε τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης που βασίστηκε στο µοντέλο των Mantoglou et al (2004), η διεπιφάνεια εµφανίζει µικρότερη κλίση και πολύ ήπια µορφή και εντοπίζεται έως και 45 m ανώτερα από την προηγούµενη (που υπολογίστηκε βάσει τουµοντέλου Mantoglou et al, 2004), ενώηθέσητουπόδατηςαλάτινηςσφήναςφθάνεισε απόσταση που κυµαίνεται, ανάλογα µε την θέση, µεταξύ 1.500 2.000 m από την ακτογραµµή, καισυχνάφαίνεταινακαταλαµβάνειόλοτοπλάτοςτουυδροφορέα. Τα αποτελέσµατα αυτά θεωρούνται αναµενόµενα και οφείλονται στο ότι δεν έχει δηλωθεί στο µοντέλο η αντίσταση που συναντά το γλυκό νερό του υδροφορέα κατά την εκφόρτισή του προς την θάλασσα. Εποµένως, η µορφή της ελεύθερης επιφάνειας του υδροφορέα, καιάρακαιηµορφήτηςδιεπιφάνειας, αναµένονταιιδιαίτεραήπιες. Είναικατανοητόότιµίατέτοιαπροσοµοίωσηδενανταποκρίνεταιστηνπραγµατικότητα. Ακολούθως, έγινε µία προσπάθεια τροποποίησης της παραπάνω προσοµοίωσης µε απλή χρήση του κώδικα Modflow, ώστε να δηλώνεται στο µοντέλο η αντίσταση που εµφανίζεται στην ροή του νερού του υδροφορέα προς την θάλασσα (λόγω της µεγαλύτερης πυκνότητας τουαλµυρούνερούαυτής).
vi Έτσι, ουδροφορέαςπροσοµοιώθηκεωςσυνήθηςφρεάτιος, µεπαραµέτρουςεισαγωγής, όπως ακριβώς υπολογίστηκαν κατά την προεργασία. Η µόνη επέµβαση στο σύστηµα ήταν η εισαγωγή µικρότερων τιµών υδραυλικής αγωγιµότητας K στα παράκτια κελιά, ώστε να δηλωθείηδυσκολίαεκφόρτισηςτουγλυκούνερούστηνθάλασσα. Έπειτα από αρκετές trial & error δοκιµές, και την συνδυασµένη χρήση του κώδικα Modflow και του προγράµµατος Matlab, οι τιµές υδραυλικής αγωγιµότητας στα παράκτια κελιά, που βρέθηκαν ότι προσεγγίζουν καλύτερα τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης που βασίστηκε στην εφαρµογή του µοντέλου των Mantoglou et al (2004), αφορούν τιµές της τάξηςτου 30% τηςτιµήςτηςυδραυλικήςαγωγιµότηταςστονυπόλοιπουδροφορέα. ηλαδή, στα παράκτια κελιά του δυτικού τµήµατος (όπου η υδραυλική αγωγιµότητα έχει τεθεί Κ=5m/day), δόθηκε τιµή υδραυλικής αγωγιµότητας Κ=1,5m/day, και στα παράκτια κελιά του ανατολικού τµήµατος (στο οποίο Κ=2m/day), δόθηκε τιµή Κ=0,6m/day και τοπικά Κ=0,7m/day. Τα αποτελέσµατα των δύο προσοµοιώσεων, που αφορούν κυρίως στην µορφή και την έκταση της διεπιφάνειας αλµυρού-γλυκού νερού και στην θέση του πόδα της αλάτινης σφήνας, συγκρίθηκανκαισυµπεραίνεταιότιεµφανίζουνπολύµικρέςαποκλίσεις. Εποµένως, η προσοµοίωση µε τροποποιήσεις στην εφαρµογή του κώδικα Modflow θεωρείται γενικά ικανοποιητική όσον αφορά στον υπολογισµό της θέσης του πόδα της αλάτινης σφήνας και τηςµορφήςτηςδιεπιφάνειας. Λόγω του ότι όλες οι παραπάνω προσοµοιώσεις αφορούν υποθετικές συνθήκες ηρεµίας του υδροφόρου συστήµατος, χωρίς ανθρωπογενείς φορτίσεις ή εκφορτίσεις από αυτό, στην συνέχεια κρίθηκε σκόπιµο να διερευνηθεί η συµπεριφορά του υπό εξέταση υδροφορέα σε συνθήκες άντλησης νερού από αυτόν. Έτσι, θεωρήθηκαν 20 υποθετικά φρέατα άντλησης, οµοιόµορφακατανεµηµένα, ταοποίααντλούνίσεςποσότητεςνερούαπότονυδροφορέα. Μετά από µερικές δοκιµές, υπολογίστηκε ότι η µέγιστη παροχή µε την οποία µπορεί να αντλεί κάθε φρέαρ από τα 20, είναι της τάξης των 165 m 3 /day, χωρίς να παρατηρηθεί εισχώρηση υφάλµυρου νερού στις υδρογεωτρήσεις που αντλούν. Η ποσότητα αυτή συνολικά αντιστοιχεί περίπου στο 1/5 (18,9%) της ποσότητας του νερού που συνολικά εµπλουτίζει τον υδροφορέα. Η παραπάνω τιµή βέλτιστης παροχής άντλησης θεωρείται ιδιαίτερα µικρή. Το γεγονός οφείλεται στο πλήθος παραδοχών και προσεγγίσεων που έγιναν για τις ανάγκες του µοντέλου, οι οποίες ενδέχεται να απέχουν αρκετά από τις πραγµατικές τιµές των παραµέτρων. Ωςεκτούτου, τααποτελέσµατατουµοντέλουδενείναιιδιαίτεραακριβή.
vii Χαρακτηριστική είναι η µεγάλη ευαισθησία που εµφανίζουν παράµετροι του υδροφορέαόπωςητιµήτηςυδραυλικήςαγωγιµότητας. Επιπροσθέτως, κάτι που δεν λαµβάνει υπόψη του το απλό µοντέλο που εφαρµόστηκε για τις ανάγκες της παρούσας εργασίας είναι η κλίση που αναµένεται να εµφανίζει ο πυθµένας του υδροφορέα, ο οποίος γενικά θεωρείται ότι ακολουθεί την µορφολογία του εδάφους και βρίσκεται σε βάθος περίπου 100 m κάτω από αυτό. Έτσι, στις προσοµοιώσεις που προηγήθηκαν το βάθος του υδροφορέα υπερκεκτιµάται, κάτι που οδηγεί σε ανακρίβεια υπολογισµού της θέσης του πόδα της αλάτινης σφήνας και ως εκ τούτου και των βέλτιστων επιτρεπτώνπαροχώνάντλησης. Μάλιστα, στην περίπτωση που το βάθος του υδροφορέα που εισάγεται στο µοντέλο µειωθεί στο µισό, η θέση του πόδα της αλάτινης σφηνας εντοπίζεται ιδιαίτερα πλησίον της ακτής, και ως µέγιστη επιτρεπτή παροχή άντλησης των 20 υποθετικών φρεάτων που αναφέρθηκαν παραπάνω, προκύπτει διπλάσια τιµή από την προηγούµενη, η οποία συνολικά αντιστοιχεί περίπου στα 2/5 (37,9%) της ποσότητας του νερού που εµπλουτίζει τον υδροφορέα. Τελικά, µία πιο ακριβής προσοµοίωση του παράκτιου φρεάτιου υδροφορέα της βόρειας Κω απαιτεί εκτός από περισσότερο ακριβείς τιµές των παραµέτρων εισόδου, και την εφαρµογήενόςπιοσύνθετουµοντέλουπροσοµοίωσης.