Natural groundwater storage can be improved by constructing a subsurface barrier that is a subsurface dam, in order to capture the subsurface flows and raise the groundwater levels (GWLs) in the sediment layers. Subsurface dams are preferable to surface dams because of lower evaporation, higher functionality, lower cost of construction, lessened risk for contamination and the possibility of utilizing land over the dam. Therefore subsurface dams constitute an affordable and effective method for the sustainable development and management of groundwater resources. The aim of this research project was to develop and test methods for the assessment and location of subsurface dams in water resources management. From previous experiences it has been established that locating suitable sites for construction of subsurface dams plays an important role in the overall success of these dams. Therefore, in order to locate suitable sites, two approaches were followed. The first was the Boolean approach using topographical, geological and landcover data in a geographic information system (GIS) environment for a previously glaciated terrain near Stockholm. The results of the Boolean approach were complemented by a groundwater balance model and a topographic wetness index (TWI). The second approach involved spatial multi-criteria analysis (SMCA) applied to a region with different geological and hydrological conditions. SMCA was applied in Northern Pakistan using factors such as topography, geology, landcover, soil thickness and TWI. Two weighting techniques, the analytic hierarchy process (AHP) and the factor interaction method (FIM), were employed and compared. The Factor removal technique was employed to assess the sensitivity of the model for each factor. Aquifer thickness is an important factor while planning subsurface dams and data regarding the soil thickness is often not available at larger scale. Therefore a simplified regolith model (SRM) was developed for estimating the regolith thickness in previously glaciated terrain with a high frequency of rock outcrops, based on a digital elevation model (DEM) and an optimized outcrop search algorithm. In order to analyse the dynamics of the groundwater flow, a transient 3D groundwater flow model was developed for a subsurface dam. Methods applied to locate suitable sites for the construction of subsurface dams showed some promising results and need to be applied and tested in areas with different hydrological and geological conditions. The Boolean approach is a simple method that could be used during early planning stages for locating suitable sites for the construction of subsurface dams. The SMCA framework enabled the integration of knowledge for decision making, where the weights had a more significant influence on the results than the choice of the weighting method. AHP was considered to be the more robust model for assigning weights in this study. The factor removal technique showed that the modeling results were least sensitive to soil depth and most sensitive to land cover for the construction of subsurface dams. SRM showed reasonable results and could be used in engineering projects prior to detailed field investigations in formally glaciated terrain when borehole data is not available. The groundwater flow modelling results helped to develop some sustainable pumping scenarios to demonstrate the benefits of the subsurface dam. Groundwater flow model results also facilitated the selection of a suitable site for placing a subsurface dam in order to maximize the groundwater storage upstream. It was concluded in this project that the subsurface dams could sustainably be used to mitigate the water supply issues in formerly glaciated humid terrain such as in Sweden and dry climatic areas such as in Pakistan. Moreover, subsurface dams can play an important role in water resources management in coastal areas of formerly glaciated terrain, where saltwater intrusion is a rising environmental issue. Also in dry climatic areas like in Pakistan, methods such as SMCA could make the planning step more robust before the actual construction of dams. Themethods and findings presented in this thesis can be considered to be one tentative step of scientific contribution for better analysis, assessment and the location of subsurface dams. / <p>QC 20160210</p>

Due to precipitation poor winters and springs and over-exploitation of groundwater reserves during the summer months as a consequence of tourism, the island of Gotland has experienced fresh water shortages during recent years which has led to harsh restrictions in the use of municipal water. In order to find a solution to the islands fresh water problems, the region of Gotland and the Swedish Environmental Institute (IVL) have initiated a project in which the southernmost part of Gotland, Storsudret, will be used as a test site for new methods of sustainable freshwater storage and extraction methods. A, for Sweden, new method currently being investigated is the use of subsurface dams in order to increase the storage capacity of soil groundwater, thus increasing the possible extractions. Methods for finding suitable sites for subsurface dams has been investigated by Imran Jamali, 2016, and Ludvig Almqvist, 2017. There is however a need in further investigating and developing methods for subsurface dam location. This master thesis has focused on performing on-site data collection and on the use of groundwater flow model to evaluate the possibility of placing a subsurface dam on Storsudret, as steps in a method to localize areas suitable for subsurface dams. On site data was collected through resistivity measurements and water level measurements. This was used as input data for the flow model, MIKE SHE, together with more general GIS-data available. Flow modelling was performed during the period 2015-2018, which included the initially dry years of 2015-16 and the summer of 2017, and the more precipitation rich second half of 2017 and spring of 2018. Subsurface dams were modelled to investigate the results on the surroundings. The result did not show any obvious locations for the placement of a subsurface dam within the modelled area. The site considered to be most suitable for dam placement was modelled but showed only a rather small additional stored volume. However, the model result indicated that large possibilities for freshwater extraction already could be present in an existing geological formation in the area, even without the presence of a subsurface dam. As a tool for finding the specific location of groundwater dams, it was concluded that MIKE SHE gives a good overview over the general hydrogeological features and flow paths. Thus, it is a valuable tool when it comes to finding interesting sites for further investigations. However, due to problems in obtaining detailed enough input data, the model is considered to be less suitable for finding specific locations for dam placement when investigating a larger domain. / På grund av nederbördsfattiga vintrar och ett överuttag från grundvattenreservoarerna under turistsäsongen på somrarna, har Gotland erfarit vattenbrist under senare år vilket lett till hårda bevattningsförbud för såväl kommunalt och enskilt vatten. För att hitta en lösning på denna vattenbrist har Region Gotland och Svenska Miljöinstitutet (IVL) initierat ett projekt på den södra delen av Gotland, Storsudret, som kommer att användas som en testplats för nya lösningar inom lagring och uttag av färskvatten. En, för Sverige, ny metod som för nuvarande undersöks är användandet av grundvattendammar som ett sätt att öka lagringskapaciteten i marken och på så sätt kunna öka uttagen av grundvatten. Metoder för att finna lämpliga platser för grundvattendammar har undersökts av Imran Jamali, 2016, och Ludvig Almqvist, 2017. Därtill finns ett behov av att vidare undersöka och utveckla metoder för lokalisering av grundvattendammar. Denna masteruppsats har fokuserat på att utföra data-inhämtning i fält och bygga upp en grundvattenflödesmodell för att utvärdera möjligheten att placera en grundvattendam på Storsudret, som ett vidare steg i att utveckla en metod för att finna lämpliga platser för grundvattendammar. Data från fältundersökningar hämtades genom resistivitetsmätningar och vattenståndsmätningar. Dessa data användes som inmatning i grundvattenflödesmodellen, MIKE SHE, tillsammans med mer generell GIS-data. Flödesmodellering utfördes under perioden 2015-2018, vilket inkluderade torrår under perioden 2015-2016 och slutet av sommaren 2017 och mer nederbördsrik period under hösten 2017 och våren 2018. Grundvattendammar modellerades för att undersöka områdespåverkan. Resultaten visade på ingen självklar lokalisering för en grundvattendamm inom det modellerade området, på grund av platt geologi utan tydliga utflödespunkter blev resultatet av en damm endast en liten ökad grundvattenvolym. Däremot visade modellresultaten att stora uttagsmöjligheter för grundvatten redan fanns i existerande geologiska formationer även utan en grundvattendamm närvarande. Som ett steg i metoden att finna lämpliga platser för grundvattendammar var MIKE SHE ett bra verktyg för att ge en god överblick över de generella hydrogeologiska flödena. MIKE SHE är ett värdefullt verktyg när det kommer till att hitta intressanta platser för vidare undersökningar. Däremot fanns problem med att finna detaljerade inmatningsdata vilket gör modellen mindre lämplig för att finna exakta grundvattendamsplaceringar inom ett större område.

Διερευνώνται επιμέρους θέματα διαχείρισης παράκτιων υδροφορέων που αφορούν στην διασφάλιση της αειφορίας των υπόγειων αποθεμάτων μέσω (α) της προστασία τους έναντι στην υποβάθμιση της ποιότητάς τους που μπορεί να προέλθει από τη διείσδυση του θαλασσινού νερού και από ανθρωπογενείς δραστηριότητες και (β) της διασφάλισης της κάλυψης των αναγκών σε υπόγειο νερό κατά τις περιόδους αυξημένης ζήτησης. Η διερεύνηση βασίζεται στη χρήση δύο αριθμητικών μοντέλων υπόγειας ροής που λαμβάνουν υπόψη τις διαφορές πυκνότητας μεταξύ γλυκού και αλμυρού νερού και περιλαμβάνει τα ακόλουθα: Παρουσιάζεται ο τρόπος με τον οποίο διατυπώνονται και επιλύονται οι εξισώσεις που περιγράφουν την υπόγεια ροή υπό την επιρροή διαφορών πυκνότητας σε δύο ευρέως χρησιμοποιούμενα αριθμητικά μοντέλα, που είναι το μοντέλο SEAWAT-2000 (Langevin et al., 2003) και το μοντέλο SUTRA v2.2 (Voss & Provost, 2010). Βάσει των ανωτέρω και της εμπειρίας που αποκτήθηκε από την παράλληλη εφαρμογή τους, οι δύο κώδικες αξιολογούνται συγκριτικά και διατυπώνονται κριτήρια, στα οποία μπορεί να βασιστεί η επιλογή του κατά περίπτωση προσφορότερου κώδικα. Γίνεται η ρύθμιση αριθμητικού μοντέλου, το οποίο είναι βασισμένο στον κώδικα SEAWAT-2000, για τον παράκτιο υδροφορέα του Γλαύκου π., ο οποίος βρίσκεται στα νότια της πόλης των Πατρών και αποτελεί σημαντικό υδατικό πόρο για την περιοχή. Η ρύθμιση του μοντέλου βασίζεται σε μετρήσεις της υπόγειας στάθμης που προέρχονται από ένα σχετικά πυκνό δίκτυο γεωτρήσεων παρατήρησης το οποίο όμως έχει χρονικά περιορισμένη διάρκεια λειτουργίας. Το δίκτυο κατασκευάστηκε στα πλαίσια του προγράμματος INTERREG Ελλάδα – Ιταλία, 2000 – 2006, σε συνεργασία του Εργαστηρίου Υδραυλικής Μηχανικής του Πανεπιστημίου Πατρών και της Δημοτικής Επιχείρησης Ύδρευσης και Αποχέτευσης της Πάτρας (Δ.Ε.Υ.Α.Π.) και ολοκληρώθηκε στα μέσα του 2008. Η διαδικασία ρύθμισης του μοντέλου περιλαμβάνει τα εξής: (α) Τη συστηματική οργάνωση, συνδυασμό και αξιολόγηση των διαθέσιμων πληροφοριών σε λογισμικό συστημάτων γεωγραφικών πληροφοριών. (β) Την εφαρμογή υδραυλικών και στατιστικών μεθόδων σε συνδυασμό με την τροποποίηση και εφαρμογή μεθόδων αριθμητικής προσομοίωσης αντλητικών δοκιμών για τον προσδιορισμό των υδραυλικών χαρακτηριστικών του υδροφορέα. (γ) Τη συνδυαστική ανάλυση υδρολογικών δεδομένων και χρονοσειρών της υπόγειας στάθμης για την εκτίμηση των συνιστωσών του υδρολογικού ισοζυγίου. (δ) Τον καθορισμό κατάλληλων κριτηρίων αξιολόγησης των προσομοιώσεων. (ε) Την εμπειρική ρύθμιση των παραμέτρων του μοντέλου, η οποία επειδή έγινε παράλληλα με την συλλογή των μετρήσεων της υπόγειας στάθμης πραγματοποιήθηκε για δύο περιόδους, κατ’ αρχήν για την περίοδο 2008-2010 και εν συνεχεία για την περίοδο 2010-2012 και (στ) την εκτέλεση προσομοιώσεων Monte Carlo για την πραγματοποίηση καθολικής ανάλυσης ευαισθησίας (global sensitivity analysis, βλ. Saltelli et al., 2004) και τη διερεύνηση ύπαρξης περισσοτέρων συνδυασμών των τιμών των παραμέτρων του μοντέλου που οδηγούν σε παρόμοια αποτελέσματα (equifinality thesis, Beven, 2006). Από τη ρύθμιση του μοντέλου με τη βοήθεια των μετρήσεων της υπόγειας στάθμης που συλλέχτηκαν με το δίκτυο παρατήρησης προέκυψαν πληροφορίες για τους μηχανισμούς εμπλουτισμού του υδροφορέα στις διάφορες περιοχές, κάτι που είναι σημαντικό για τη διαχείρισή του. Το ρυθμισμένο μοντέλο του παράκτιου υδροφορέα του Γλαύκου χρησιμοποιήθηκε για την εξέταση θεμάτων διαχείρισης του υδροφορέα: (α) Προσδιορίστηκαν οι ζώνες τροφοδοσίας των γεωτρήσεων της ΔΕΥΑΠ με χρήση του κώδικα MODPATH v3 (Pollock, 1994) και εκτιμήθηκε η τρωτότητα αυτών των γεωτρήσεων. Διαπιστώθηκε ότι οι γεωτρήσεις που βρίσκονται κοντά στην κοίτη του Γλαύκου, όπως συμβαίνει με πολλές από τις γεωτρήσεις της ΔΕΥΑΠ, αντλούν σχεδόν αποκλειστικά νερό που προέρχεται από τον ποταμό. Έτσι είναι δυνατόν να προσβληθούν από ρυπάνσεις του νερού του ποταμού καθώς επίσης και από ανθρωπογενείς δραστηριότητες στις παρόχθιες ζώνες. (β) Εκτιμήθηκε ο κίνδυνος διείσδυσης θαλασσινού νερού σε περίπτωση εμφάνισης περιόδων ξηρασίας, για δύο διαφορετικά σενάρια αντλήσεων: ένα σύμφωνα με το σημερινό καθεστώς χρήσης του υπόγειου νερού και ένα για την αύξηση των αντλήσεων κατά 50%. Διαπιστώθηκε ότι για ξηρασία διάρκειας τεσσάρων ετών και αύξηση των αντλούμενων ποσοτήτων τα φαινόμενα υφαλμύρισης θα είναι έντονα. Με την επάνοδο όμως των μέσων υδρολογικών συνθηκών ο υδροφορέας ανακάμπτει. (γ) Για συνθήκες ξηρασίας εξετάστηκε η αποτελεσματικότητα του τεχνητού εμπλουτισμού για τον περιορισμό της διείσδυσης του θαλασσινού νερού. Ως μέθοδος εμπλουτισμού εξετάστηκε η εποχιακή αύξηση της στάθμης του νερού στον ποταμό με τη βοήθεια φουσκωτών φραγμάτων (βλ. Κωτσοβίνος, 1999). Διαπιστώθηκε ότι με τη μέθοδο αυτή μπορεί να επιτευχθεί σημαντική αύξηση των υπόγειων αποθεμάτων. Τέλος, εξετάζεται ως μέτρο προστασίας έναντι της διείσδυσης του θαλασσινού νερού η τεχνική των υπόγειων φραγμών. Επειδή στις μελέτες της τεχνικής αυτής που έχουν παρουσιαστεί στη βιβλιογραφία (π.χ. Luyun et al., 2011) έμφαση δίνεται μόνο στην επιρροή των γεωμετρικών χαρακτηριστικών των φραγμών (απόσταση από την ακτή, βάθος φραγμού), έγινε στην παρούσα εργασία συστηματική διερεύνηση της συναρτησιακής σχέσης ανάμεσα στην αποτελεσματικότητα της μεθόδου και τα χαρακτηριστικά τόσο των φραγμών όσο και του υδροφορέα (υδραυλική αγωγιμότητα, ανισοτροπία, υδρομηχανική διασπορά, παροχή γλυκού νερού προς τη θάλασσα, αντλήσεις στην παράκτια ζώνη, υλικό κατασκευής του φραγμού). Η διερεύνηση έγινε με τη βοήθεια του αριθμητικού μοντέλου SUTRA 2.2 (Voss and Provost, 2010), για δύο τύπους υπόγειων φραγμών: τους διαφραγματικούς τοίχους και τα υπόγεια φράγματα. Δίδονται διαγράμματα και αναλυτικές σχέσεις με χρήση αδιάστατων μεταβλητών και για εύρος τιμών των μεταβλητών αυτών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διαστασιολόγηση φραγμών σε εφαρμογές πεδίου. Βάσει των αποτελεσμάτων που προκύπτουν από τη διερεύνηση της προαναφερθείσας συναρτησιακής σχέσης και χρησιμοποιώντας και το μοντέλο του Γλαύκου, εξετάστηκε η αποτελεσματικότητα της κατασκευής ενός φραγμού περιορισμένου μήκους στον υδροφορέα. Διαπιστώθηκε ότι πέραν του περιορισμού της διείσδυσης αλμυρού νερού σε περιόδους ξηρασίας που επιτυγχάνεται, ο φραγμός επιταχύνει την υποχώρηση της αλμυρής σφήνας όταν επανέλθουν οι συνήθεις υδρολογικές συνθήκες. / In the present study coastal aquifer management issues are investigated. These issues concern measures which ensure the sustainability of the coastal groundwater and particularly: (a) protective measures against the degradation of groundwater caused by saltwater intrusion and human activities and (b) measures allowing the availability of sufficient volumes of fresh groundwater during periods of high demand. The investigation is based on the application of two numerical codes, which are suitable for simulating the groundwater flow under the influence of density differences. The investigation procedure is as follows. The application of the equations of groundwater flow with density differences and transport, the limitations and the advantages are presented for two widely used numerical models, the SEAWAT-2000 code (Langevin et al., 2003) and the SUTRA v.2.2 code (Voss & Provost, 2010). Based on the analysis above and on the experience acquired through the parallel use of the two codes, basic criteria are derived that allow for the selection of the code that best suits the needs of a certain problem. The investigation focuses on the Glafkos coastal aquifer, which is located at north Peloponnese (Greece), south of the city of Patras and is an important source of freshwater for the region. For this aquifer the SEAWAT-2000 code is implemented and calibrated. The model calibration is based on groundwater level time series that were registered by a relatively dense monitoring network, whose operation time, however, is limited. The network of the monitoring wells was constructed during 2007-2008 in cooperation of the Hydraulic Engineering Laboratory (Department of Civil Engineering, University of Patras) and the Municipal Enterprise of Water Supply and Sewage of Patras (DEYAP), in the frame of the project INTERREG IIIA GREECE-ITALY. The calibration procedure is based on: (a) The application of a G.I.S. system to organize, combine, analyse and evaluate the available information. (b) The application of hydraulic and statistical methods combined with the modification and application of pumping tests simulation methods, for the estimation of the hydraulic parameters of the coastal aquifer. (c) The combined analysis of hydrological data and groundwater level time series for the estimation of the aquifers water budget components. (d) The establishment of appropriate criteria for the evaluation of simulation results. (e) The empirical calibration of the model is performed for two periods, i.e. the period 2008-2010 and the period 2010-2012. This procedure is due to the availability of the groundwater level time series which were registered parallel to the model calibration. (f) The application of the Monte-Carlo method in order to investigate the probability that different combinations of model parameters give similar or better simulation results. The model calibration led to a better understanding of the aquifers recharge mechanisms which is crucial for the development of a groundwater management policy and the implementation of a management plan. The calibrated groundwater model of the Glafkos coastal aquifer is used for the investigation and evaluation of coastal aquifer management applications: (a) The capture zones of the municipal production wells are delineated by applying the MODPATH v3 code (Pollock, 1994). It is found out that the production wells that are located close to the Glafkos River, as it is the fact for the majority of the municipal production wells, pump water that originates almost exclusively from the river. Consequently, polluted water from the river or polluting human activities close to the riverbank can affect the quality of the pumped water. (b) The saltwater intrusion risk is estimated, in case of a prolonged drought period. Two cases are investigated; the first considers the current pumping rates of groundwater while the second considers a 50% increased pumping. It is found out that a four-year drought period combined with an increase of the groundwater exploitation will lead to significant saltwater intrusion problems. (c) The applicability and effectiveness of in-channel artificial recharge with the use of rubber dams, as a countermeasure against the saltwater intrusion, which may be induced by a four-year drought period, is investigated. It is found that the method is applicable and effectively reduces the intrusion of saltwater. Further it increases the groundwater storage in the aquifer. Finally, the construction of a cutoff wall which covers only a small part of the aquifers width, is evaluated as a countermeasure to saltwater intrusion problems which may arise in Glafkos coastal aquifer. Due to the fact that existing studies on the technique of the subsurface barriers focus only on the influence of the geometrical characteristics of barriers covering the whole width of the aquifer, a systematic investigation is curried out on the functional relationship between the effectiveness of the barriers and all the parameters influencing it, i.e. the geometrical characteristics of the barriers, the aquifer parameters (the hydraulic conductivity, anisotropy, hydromechanical dispersion, groundwater flow towards the sea) and the pumping rate. The investigation is curried out by the use of the finite element code SUTRA v.2.2 and concerns two types of barriers; the subsurface dams and the cutoff walls. The results include graphs and functional relationships for the assessment of the effect of subsurface dams and cutoff walls and the design of such structures. The results are presented in terms of dimensionless variables, with ranges suitable for field applications. Based on these results, a cutoff wall of small width is designed for the Glafkos coastal aquifer. Its effectiveness is evaluated by applying the calibrated SEAWAT-model of the coastal aquifer. It is shown that the cutoff wall not only reduces the saltwater intrusion during drought periods, but also it reduces the retreat time of the saltwater front under normal hydrological conditions.