Modeling seawater intrusion in overexploited aquifers in the absence of sufficient data: application to the aquifer of Nea Moudania, northern Greece

Abstract

In many coastal areas, overexploitation of groundwater resources has led both to the quantitative degradation of local aquifers and the deterioration of groundwater quality due to seawater intrusion. To investigate the behavior of coastal aquifers under these conditions, numerical modeling is usually implemented; however, the proper implementation of numerical models requires a large amount of data, which are often not available due to the time-consuming and costly process of obtaining them. In the present study, the investigation of the behavior of coastal aquifers under the lack of adequate data is attempted by developing a methodological framework consisting of a series of numerical simulations: a steady-state, a false-transient and a transient simulation. The sequence and the connection between these simulations constitute the backbone of the whole procedure aimed at adjusting the various model parameters, as well as obtaining the initial conditions for the transient simulation. The validity of the proposed methodology is tested through evaluation of the model calibration procedure and the estimation of the simulation errors (mean error, mean absolute error, root mean square error, mean relative error) using the case of Nea Moudania basin, northern Greece. Furthermore, a sensitivity analysis is performed in order to minimize the error estimates and thus to maximize the reliability of the models. The results of the whole procedure affirm the proper implementation of the developed methodology under specific conditions and assumptions due to the lack of sufficient data, while they give a clear picture of the aquifer’s quantitative and qualitative status.

Résumé

Dans de nombreuses zones côtières, la surexploitation des ressources en eau souterraine a conduit aussi bien à la dégradation du point de vue quantitative d’aquifères au niveau local qu’à la détérioration de la qualité des eaux souterraines à cause de l’intrusion d’eau de mer. Afin d’étudier le comportement des aquifères côtiers dans de telles conditions, la modélisation numérique est habituellement mise en œuvre. Cependant, la bonne mise en œuvre de modèles numériques nécessité une grande quantité de données, qui ne sont souvent pas disponibles en raison du processus de longue haleine et coûteux pour les obtenir. Dans la présente étude, l'examen du comportement des aquifères côtiers vis-à-vis du manque de données adéquates est tentée à l’aide de l'élaboration d'un cadre méthodologique consistant en une série de simulations numériques: une simulation en état permanent, une simulation en faux-transitoire et une simulation en transitoire. La séquence et la connexion entre ces simulations constituent l'épine dorsale de toute la procédure visant à ajuster les différents paramètres du modèle, ainsi qu’à obtenir les conditions initiales pour la simulation en transitoire. La validité de la méthode proposée est testée par l'évaluation de la procédure d'étalonnage du modèle et l'estimation des erreurs de simulation (erreur moyenne, erreur moyenne absolue, erreur quadratique moyenne, erreur moyenne relative) en utilisant le cas du bassin de Nea Moudania, Grèce du Nord. En outre, une analyse de sensibilité est effectuée afin de minimiser les estimations d'erreurs et donc de maximiser la fiabilité des modèles. Les résultats de l'ensemble de la procédure confirment la bonne mise en œuvre de la méthodologie développée dans des conditions et des hypothèses spécifiques en raison de l'absence de données suffisantes, alors qu'ils donnent une image claire de l'état quantitatif et qualitatif de l'aquifère.

Resumen

En muchas áreas costeras, la sobreexplotación del agua subterránea ha llevado tanto a la degradación cuantitativa de los acuíferos locales como al deterioro de la calidad del agua subterránea debido a la intrusión de agua de mar. Para investigar el comportamiento de los acuíferos costeros en estas condiciones normalmente se implementa la modelización numérica. Sin embargo, la correcta aplicación de los modelos numéricos requiere una gran cantidad de datos, que a menudo no están disponibles debido a que su obtención es un proceso costoso y que demanda tiempo. En el presente estudio, la investigación del comportamiento de los acuíferos costeros, ante la falta de datos adecuados, se trató mediante el desarrollo de un marco metodológico que consiste en una serie de simulaciones numéricas: un estado estacionario, un falso-transitorio y una simulación transitoria. La secuencia y la conexión entre estas simulaciones constituyen la columna vertebral de todo el procedimiento con el objetivo de ajustar los diversos parámetros del modelo, así como para la obtención de las condiciones iniciales para la simulación transitoria. La validez de la metodología propuesta se prueba mediante la evaluación del procedimiento de calibración del modelo y la estimación de los errores de simulación (error medio, error absoluto, error cuadrático medio, con un error relativo medio) utilizando el caso de la cuenca del Nea Moudania, en el norte de Grecia. Además, se realiza un análisis de sensibilidad con el fin de minimizar las estimaciones de errores y por lo tanto para maximizar la fiabilidad de los modelos. Los resultados de todo el procedimiento afirman la correcta aplicación de la metodología desarrollada para las condiciones y los supuestos específicos debido a la falta de datos suficientes, mientras que dan una idea clara del estado cuantitativo y cualitativo del acuífero.

摘要

在许多沿海地区,地下水资源的超采引起海水入侵,致使当地含水层数量减少以及地下水质恶化。为了调查沿海含水层在这些情况下的状况,通常进行数值模拟。然而,恰当地进行数值模拟需要大量的资料,但由于获取这些资料的过程耗时且成本高昂,因此这些资料常常无法得到。在目前的研究中,试图依靠建立一个构成一系列数值模拟(稳定态模拟、假瞬时模拟和瞬时模拟)的方法框架来调查沿海含水层缺乏足够资料下的状况。这些模拟的序列和相互之间的关联构成了整个程序的骨干,这个程序的目标就是调整各种模型参数以及获取瞬时模拟的初始条件。利用希腊北部Nea Moudania流域的研究实例,通过评估模型校正程序和估算模拟误差(平均误差、平均绝对误差、根平均平方误差及平均相对误差)验证了该方法的有效性。此外,进行了灵敏度分析以把误差估算值减少到最小,从而最大限度提高模型的可靠性。整个程序的结果确认了由于缺乏足够资料特殊情况下和假设情况下能够恰当地实施该方法,并且这些结果清晰展示了含水层的定量和定性状态。

Περίληψη

Σε πoλλές παράkτιες περιoχές, η υπερεkμετάλλευση των υπόγειων υδατιkών πόρων έχει oδηγήσει τόσo στην πoσoτιkή υπoβάθμιση των τoπιkών υδρoφoρέων όσo kαι στην υπoβάθμιση της πoιότητας των υπόγειων νερών εξαιτίας της θαλάσσιας διείσδυσης. H διερεύνηση της συμπεριφoράς των παράkτιων υδρoφoρέων υπό αυτές τις συνθήkες συχνά επιτυγχάνεται μέσω της χρήσης των μαθηματιkών μoντέλων πρoσoμoίωσης. Ωστόσo, η oρθή εφαρμoγή των μαθηματιkών μoντέλων πρoϋπoθέτει έναν μεγάλo αριθμό δεδoμένων, τα oπoία συχνά δεν είναι διαθέσιμα εξαιτίας της χρoνoβόρας kαι δαπανηρής διαδιkασίας απόkτησής τoυς. Στην παρoύσα εργασία επιχειρείται η διερεύνηση της συμπεριφoράς των παράkτιων υδρoφoρέων υπό την έλλειψη επαρkών δεδoμένων μέσω της ανάπτυξης ενός μεθoδoλoγιkoύ πλαισίoυ πoυ συνίσταται στη διαμόρφωση μιας σειράς μαθηματιkών μoντέλων: ένα μόνιμo, ένα ψευδoμόνιμo kαι ένα μη μόνιμo μoντέλo. H αλληλoυχία kαι η σύνδεση μεταξύ των μoντέλων αυτών απoτελoύν τoν βασιkό koρμό της όλης διαδιkασίας kαι απoσkoπoύν αφενός στην πρoσαρμoγή των επιμέρoυς παραμέτρων των μoντέλων kαι αφετέρoυ στη διαμόρφωση των αρχιkών συνθηkών για τo μη μόνιμo μoντέλo. O έλεγχoς της αξιoπιστίας της πρoτεινόμενης μεθoδoλoγίας πραγματoπoιείται μέσω της αξιoλόγησης της διαδιkασίας ρύθμισης των μoντέλων kαι της εkτίμησης των σφαλμάτων πρoσoμoίωσης (μέσo σφάλμα, μέσo απόλυτo σφάλμα, ρίζα τoυ μέσoυ τετραγωνιkoύ σφάλματoς, μέσo σχετιkό σφάλμα) χρησιμoπoιώντας την περίπτωση της λεkάνης απoρρoής των Nέων Moυδανιών, βόρεια Eλλάδα. Eπιπρόσθετα, πραγματoπoιείται ανάλυση ευαισθησίας με σkoπό την ελαχιστoπoίηση των σφαλμάτων πρoσoμoίωσης kαι επoμένως τη μεγιστoπoίηση της αξιoπιστίας των μoντέλων. Tα απoτελέσματα της όλης διαδιkασίας επιβεβαιώνoυν την oρθή εφαρμoγή της πρoτεινόμενης μεθoδoλoγίας kάτω από συγkεkριμένες πρoϋπoθέσεις kαι παραδoχές εξαιτίας της έλλειψης επαρkών δεδoμένων, ενώ πρoσδίδoυν μία σαφή ειkόνα της πoσoτιkής kαι πoιoτιkής kατάστασης τoυ υδρoφoρέα.

Resumo

Em muitas áreas costeiras, a superexplotação de recursos hídricos subterrâneos tem levado à redução na quantidade do recurso disponível e na deterioração da qualidade da água devido ao processo de intrusão salina. Para investigar o comportamento desses aquíferos costeiros sob estas condições, usualmente são implementados modelos matemáticos. No entanto, a implementação de modelos matemáticos adequados requer grande quantidade de dados, que muitas vezes não estão disponíveis em razão do tempo necessário para sua produção e os elevados custos do processo de sua obtenção. Neste estudo, a investigação do comportamento destes aquíferos costeiros na ausência de dados suficientes é tratada por meio do desenvolvimento de uma abordagem metodológica que consiste de uma série de simulações numéricas: uma de estado estacionário, uma de falso transiente e outra de transiente. A sequência e a conexão entre cada uma dessas simulações constituem a estrutura central deste procedimento que busca o ajuste de vários parâmetros para o modelo, assim como obter as condições iniciais para a simulação transiente. A validação desta metodologia apresentada foi testada por meio da avaliação dos procedimentos de calibração do modelo e pela estimativa dos erros de simulação (erro médio, erro absoluto médio, erro quadrático médio e erro relativo médio) no caso da bacia de Nea Moudania, no norte da Grécia. Além disso, a análise de sensibilidade foi realizada de modo a minimizar os erros das estimativas e, portanto, maximizar a confiabilidade do modelo. Os resultados de todo esse processo determinam qual a implementação mais adequada da metodologia desenvolvida em condições específicas e premissas adotadas devido à insuficiência de dados, enquanto o modelo proporciona uma imagem clara das condições do aquífero, quantitativa e qualitativa.