Soil water infiltration models testing, with the use of experimental and computational simulation for surface and groundwater management

Abstract

Η παρούσα μελέτη διερευνά μοντέλα φίλτρανσης και κατείσδυσης στο πορώδες του εδάφους, χρήσιμα εργαλεία για προληπτικές ενέργειες και ενέργειες αποκατάστασης για την προστασία του μαλακού νερού επιφανείας και υπόγειου, τα οποία έχουν γίνει ακόμη πιο σπάνια. Τα σχέδια ολοκληρωμένης διαχείρισης των υδάτινων λεκανών απορροής είναι ζωτικής σημασίας, καθώς οι εντατικά καλλιεργούμενες εκτάσεις προσθέτουν τεράστιες ποσότητες λιπασμάτων στο έδαφος, επηρεάζοντας τα επιφανειακά νερά των λεκανών απορροής και τα υπόγεια ύδατα. Οι υδροφορείς προοδευτικά «νιτρορρυπαίνονται», λόγω του υπολειμματικών στο έδαφος αζωτούχων λιπασμάτων. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την υποβάθμιση των υπόγειων υδροφορέων, καθιστώντας το νερό ακατάλληλο για ανθρώπινη κατανάλωση και άλλες χρήσεις. Καλά δοκιμασμένα μοντέλα έκπλυσης διαλυμένων ουσιών, μεμονωμένα ή μέρος ενός πακέτου μοντέλων, παρέχουν γρήγορες εκτιμήσεις για το δυναμικό έκπλυσης των χημικών παραγόντων, κυρίως νιτρικών, κάτω από τη ζώνη ρίζας των καλλιεργειών και τον αντίκτυπο της έκπλυσης προς τα υπόγεια ύδατα. Τα περισσότερα μοντέλα φίλτρανσης στο έδαφος που εξετάστηκαν βασίζονται σε αλληλουχίες επιμέρους διεργασιών ή είναι εννοιολογικά μοντέλα. Παρά ταύτα, εμπειρικά μοντέλα πρόγνωσης της διάδοσης ρευστών στο έδαφος, παρ’ όλο που θεωρούνται απλουστευτικά, και γι’ αυτό όχι προτεινόμενα, κάποιες φορές επιδεικνύουν πλεονεκτήματα, όπως την μη απαίτηση επίπονων βαθμονομήσεων που απαιτείται σε περίπλοκα μοντέλα και την μεγάλη ανάγκη χρήσης χρονοσειρών, μετρήσεων πεδίου, οι οποίες κάποιες φορές είναι αδύνατες, πέραν της περαιτέρω ανάγκης προσέγγισης με στοχαστικό τρόπο και χρήση της τεχνητής νοημοσύνης. Τα μοντέλα κατηγοριοποιήθηκαν αναλόγως το πορώδες μέσο στο οποίο πρέπει να διέλθει ο χημικός παράγοντας που παρακολουθείται. Ολοκληρωμένα πακέτα μοντέλων ανεπτυγμένων για την πρόγνωση της διάδοσης θρεπτικών παραγόντων στο έδαφος, για τον έλεγχο του κύκλου του αζώτου στις υδρολογικές λεκάνες βοηθούν στην θέσπιση πολιτικών για την ορθή διαχείριση των επιφανειακών υδάτων. Η φίλτρανση στο πορώδες του εδάφους είναι μία σύνθετη διεργασία, κατά την οποία ένα υδατικό διάλυμα π.χ. νερό βροχής, νερό άρδευσης, εν δυνάμει ρυπασμένο με αδιάλυτα, διασπαρμένα σωματίδια, εισέρχονται στο έδαφος δια βαρύτητας ή με την επίδραση τριχοειδών δράσεων και προκαλούν σταδιακή διάχυση και σε άλλες διευθύνσεις πέραν της κατακόρυφης κατείσδυσης. Συμβάντα πλημμυρικά (Hortonian) ανόδου από την αυξημένη στάθμη υδάτων και ακολούθως συμπίεσης του επιφανειακού πηλώδους χώματος με ομαλά χαρακτηριστικά στοιχεία αναγλύφου και έντονα επί πλέον στοιχεία χονδρόκοκκου εδάφους, μπορεί να προσομοιάσουν, δεδομένων των απλουστεύσεων, με εργαστηριακά πειράματα. Σε αυτά τα πειράματα, στήλες πληρούμενες με νερό, πηλώδες χώμα και πληρωτικό υλικό/ ή χωρίς πληρωτικό προσεγγίζουν σύνθετες κατάστασεις συμπεριφοράς του εδάφους σε φίλτρανση. Στο παρόν πόνημα, μοντέλα συμπίεσης και καθίζησης αιωρούμενου πηλώδους χώματος δοκιμάστηκαν, σε εργαστηριακές κατάλληλα προπαρασκευασμένες στήλες. Τα μοντέλα αριστοποιήθηκαν κατά την προσαρμογή μη γραμμικής παλινδρόμησής τους επάνω σε εργαστηριακές πειραματικές τιμές συμπεριφορά καθίζησης /φίλτρανσης σε διάφορες καταστάσεις πειραματικού ελέγχου. Εκείνο το μοντέλο που έλαβε τη χαμηλότερη τιμή Standard Error of Estimate (SEE), μεταξύ οκτώ συνολικά μοντέλων αξιολόγησης. Στη συνέχεια, με τη χρήση του μηχανισμού της πολλαπλής γραμμικής παλινδρόμησης, τροποποιήθηκαν και παρουσιάζονται στο παρόν πόνημα. Τα τροποποιημένα μοντέλα έγιναν στη βάση της γραμμικής εξάρτησης των παραμέτρων των επιλεγμένων ανεξάρτητων μεταβλητών ήτοι: (i) συγκέντρωση πηλώδους υλικό στο υδατικό διάλυμα πειραματισμού, (ii) στην εσωτερική διάμετρο των πειραματικών κυλίνδρων και (iii) στο ενεργό ή αποτελεσματικό πορώδες του πληρωτικού υλικού το οποίο αποτελείτο από γυάλινες σφαίρες γνωστής διαμέτρου.