Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι ο κίνδυνος ρύπανσης των αντλητικών γεωτρήσεων της ΔΕΥΑ Πάτρας από ρύπους που μεταφέρονται μέσα στο υδροφόρο στρώμα, τόσο μέσω του νερού που εμπλουτίζει τον υδροφορέα, όσο και από τοπικές ρυπάνσεις που προέρχονται από ανθρώπινες δραστηριότητες. Σημειώνεται ότι ο υδροφορέας του Γλαύκου ποταμού είναι ένας σημαντικός ταμιευτήρας γλυκού νερού για την πόλη των Πατρών. Εξετάστηκε η εξάπλωση ρυπάνσεων που μπορούν να προέρχονται (i) από τον ποταμό Γλαύκο, (ii) από την περιοχή των χειμάρρων Διακονιάρη–Ελεκίστρας, (iii) από την περιοχή Σαραβαλίου–Κρήνης, όπου ο υδροφορέας του Γλαύκου εμπλουτίζεται πλευρικά με σημαντικές ποσότητες νερού που προέρχονται από τους ανάντη καρστικούς σχηματισμούς, (iv) από το νερό της βροχής που κατεισδύει στη μη αστικοποιημένη περιοχή του υδροφορέα και (v) από σημειακές ρυπάνσεις που μπορεί να προκύψουν σε περιοχές με έντονες ανθρωπογενείς δραστηριότητες. Μια τέτοια περιοχή είναι η περιοχή της δημοτικής Λαχαναγοράς. Η διερεύνηση έγινε με το αριθμητικό μοντέλο MT3DMS (Zheng and Wang, 1999). Οι μηχανισμοί μεταφοράς που ελήφθησαν υπόψη είναι η μεταγωγή και η υδροδυναμική διασπορά. Θεωρήθηκε ότι οι ρύποι διαλύονται στο νερό χωρίς να επηρεάζουν την πυκνότητα και το ιξώδες του. Η διείσδυση του θαλασσινού νερού στην παράκτια ζώνη, η οποία επηρεάζει την ροή του γλυκού νερού προς τη θάλασσα, ελήφθη προσεγγιστικά υπόψη (βλέπε Κεφάλαιο 4). Τα υδραυλικά χαρακτηριστικά καθώς επίσης και τα μεγέθη του υδρολογικού ισοζυγίου του υδροφορέα ελήφθησαν από την διδακτορική διατριβή του Ζιώγα (2013). / In this Master’s Thesis, the numerical simulation of groundwater contaminant transport in the coastal aquifer of Glafkos river is studied. The study region is located southwest of the city of Patras in Greece.

Utilizing the analytical solution of the steady state sharp interface saltwater intrusion model in coastal aquifers, a multi-objective optimization formulation of pumping rates and well locations in a coastal aquifer is formulated to solve problems in water management practice. The proposed optimization problem uses progressive genetic algorithm technique and the method developed is applied to the previous work of Cheng et al. [2000]. Through this analysis, several other applications are provided to demonstrate the use of the model in practical applications. This work is the first to optimize pumping rates as well as well locations simultaneously in coastal aquifer management. Known the limitation of the analytical solution, the work is expanded to cover the physics of saltwater intrusion in a more realistic way. This is variable density flow in a variably saturated porous medium. In this method, mixing between two fluids such as saltwater and freshwater can be described and the porous medium is also expanded to cover saturated and unsaturated zones together. One of the objectives is to develop a three dimensional physical model, verify the model, and apply to various applications in coastal aquifers. The developed model, TechFlow, is used to investigate instability issues associated with the numerical solution of the Elder problem in the perspective that includes physical instability issues associated with density differences used in numerical solutions, sensitivity of the solution to idealization irregularity, and the importance of accurate estimation of the velocity field and its association to the grid density levels that is necessary to solve the problem accurately. Saltwater intrusion hydrodynamics in a beach under the influence of tidal effects is also investigated using TechFlow. Based on the results of TechFlow with the use of various boundary conditions for the transport equation, the saltwater intrusion hydrodynamics in a beach under the influence of tidal effects shows unique dynamics. These solutions are primarily affected by density differences, tidal effects on a mild slope, variably saturated porous medium and finite domain solution condition. TechFlow is also used to investigate saltwater upconing beneath pumping wells both two- and three-dimensional applications.

Dans ce travail, nous étudions un schéma élément fini que nous appliquons à un modèle décrivant l'intrusion saline dans les aquifères côtiers confinés et libres. Le modèle est basé sur l'approche hydraulique qui consiste à moyenner verticalement le problème initial 3D, cette approximation repose sur une hypothèse d'écoulement quasi-hydrostatique qui, loin des épontes et des sources, est vérifiée. Pour modéliser les interfaces entre l'eau douce et l'eau salée (respectivement entre la zone saturée et la zone sèche), nous combinons l'approche 'interface nette' à l'approche avec 'interface diffuse' ; cette approche est déduite de la théorie de champ de phase, introduite par Allen-Cahn, pour décrire les phénomènes de transition entre deux zones. Compte tenu de ces approximations, le problème consiste en un système fortement couplé d'edps quasi-linéaires de type parabolique dans le cas des aquifères libres décrivant l'évolution des profondeurs des 2 surfaces libres et de type elliptique-prabolique dans le cas des aquifères confinés, les inconnues étant alors la profondeur de l'interface eau salée/eau douce et la charge hydraulique de l'eau douce. Dans la première partie de la thèse, nous donnons dans le cas d'un aquifère confiné, des résultats d'estimation d'erreur d'un schéma semi-implicite en temps combiné à une discrétisation en espace de type élément fini Pk Lagrange. Ce résultat utilise entre autre un résultat de régularité du gradient de la solution exacte dans l'espace Lr(ΩT), r > 2, ce qui permet de traiter la non-linéarité et d'établir l'estimation d'erreur sous des hypothèses de régularité raisonnables de la solution exacte. Dans la seconde partie de la thèse, nous généralisons l'étude précédente au cas de l'aquifère libre. La difficulté principale est liée à la complexité du système d'edps paraboliques mais à nouveau, grâce au résultat de régularité Lr(ΩT), r > 2 établi pour les gradients des surfaces libres, nous montrons que le schéma est d'ordre 1 en temps et k en espace pour des solutions suffisamment régulières. Nous concluons ce travail par des simulations numériques dans différents contextes (impact de la porosité et de la conductivité hydraulique sur l'évolution de l'interface, pompage et injection d'eau douce, effet des marées) validant ainsi le modèle et le schéma. Puis nous comparons les résultats à ceux obtenus avec un schéma volume fini construit à partir d'un maillage structuré. / In this work, we study a finite element scheme we apply to a model describing saltwater intrusion into coastal aquifers confined and free. The model is based on the hydraulic approach of vertically averaging the 3D original problem, this approximation is based on a quasi-hydrostatic flow hypothesis which, instead of the walls and springs, is checked. To model the interface between freshwater and salt water (respectively between the saturated zone and dry zone), we combine the approach net interface (approach with the diffuse interface) ; This approach is derived from the phase field theory introduced by Allen-Cahn, to describe the phenomena of transition between two zones. Given these approximations, the problem consists of a strongly couple to edps parabolic quasi-linear system in the case of unconfined aquifers describing the evolution of the depths of two free surfaces and elliptical-parabolic type in the case confined aquifer, the unknowns being then the depth of salt water / fresh water and the hydraulic load of fresh water. In the first part of the thesis, we give in the case of a confined aquifer, error estimation results of a semi-implicit scheme in a combined time discretization space finite element type Pk Lagrange. This result among other uses a regularity result of the gradient of the exact solution in the space Lr(ΩT), r > 2, which can handle the non-linearity and to establish the error estimate under assumptions reasonable regularity of the exact solution. In the second part of the thesis, we generalize the previous study to the case of the free aquifer. The main difficulty is related to the complexity of the system of parabolic edps but again, thanks to regularity result Lr(ΩT), r > 2 gradients established for the free surfaces, we show that the scheme is of order 1 time and space k for sufficiently regular solutions. We conclude this work by numerical simulations in different contexts (impact of porosity and hydraulic conductivity of the evolution of the interface, and pumping fresh water injection, tidal effects) thus validating the model and diagram. The we compare the results with those obtained using a finite volume scheme constructed from a structured mesh.