<p>Eutrophication due to phosphorus (P) enrichment continues to be a primary water quality concern affecting freshwater and marine estuaries around the world. Excessive anthropogenic P inputs, driven by the need to meet the rising food and energy demands of a growing and increasingly urbanized population, have resulted in the buildup of P creating legacy (historical) P pools in agricultural landscapes. There is growing evidence that remobilization of accumulated legacy P can interfere with conservation efforts aimed at curbing eutrophication and improving water quality. Less is known about the magnitude and effects of these legacy P pools on dissolved reactive P (DRP) losses in tile-drained systems. This dissertation consists of three separate inquiries into how legacy P may affect DRP losses in tile drains. In the first inquiry, we examined the possibility of developing a suitable pedo-transfer function (pedoTF) for estimating P sorption capacity (PSC). Subsequent PSC-based indices (Phosphorus Saturation Ratio (PSR) and Soil Phosphorus Storage Capacity (SPSC)) were evaluated using daily water quality data from an in-field laboratory. The pedoTF derived from soil aluminum and organic matter accurately predicted PSC (R² = 0.60). Segmented-line models fit between PSR and soluble P (SP) concentrations in both desorption assays (R² = 0.69) and drainflows (R² = 0.66) revealed apparent PSR thresholds in close agreement at 0.21 and 0.24, respectively. Linear relationships were observed between negative SPSC values and increasing SP concentrations (R² = 0.52 and R² =0.53 respectively), and positive SPSC values were associated with very low SP concentrations in both desorption assays and drainflows. Zero SPSC was suggested as a possible environmental threshold. Thus, PSC-based indices determined using a pedoTF could estimate the potential for SP loss in tile drains. Also, both index thresholds coincided with the critical soil test P level for agronomic P sufficiency (22 mg kg^-1 Mehlich 3 P) suggesting that the agronomic threshold could serve as an environmental P threshold. In the second inquiry, PSC- based indices in addition to other site characteristics present in a P index (PI), were used as inputs in the development of a multi-layer feed-forward artificial neural network (MLF-ANN). The MLF-ANN was trained, tested, and validated to evaluate its performance in predicting SP loss in tile drains. Garson’s algorithm was used to determine the weight of each site characteristic. To assess the performance of ANN-generated weights, empirical data from an in-field laboratory was used to evaluate the performance of an unweighted PI (PI_NO), a PI weighted using Lemunyon and Gilbert weights (PI_LG), and an ANN-weighted PI (PI_ANN) in estimating SP losses in tile effluent. The MLF-ANN provided reliable predictions of SP concentrations in tile effluent (R² = 0.99; RMSE = 0.0024). Soil test P, inorganic fertilizer application rate (FPR), SPSC, PSR, and organic P fertilizer application rate (OPR), with weights of 0.279, 0.233, 0.231, 0.097, and 0.084, respectively, were identified as the top five site characteristics with the highest weights explaining SP loss in tile discharge. These results highlighted the great contribution of both contemporary and legacy P sources to SP concentrations in tile discharge. Also, PI_ANNwas the only PI with a significant exponential relationship with measured annual SP concentrations (R²= 0.60; p < 0.001). These findings demonstrated that MLF-ANNs coupled with Garson’s algorithm, can accurately quantify weights for individual site characteristics and develop PIs with a strong correlation with measured SP in tile discharge. Finally, in the third inquiry, we compared DRP loads and flow-weighted mean DRP (FDRP) concentrations in P source and P sink soils and evaluated the predominant DRP concentration – discharge (C-Q) behavior in these soils on a daily and event scale. At the daily scale, C-Q patterns were linked to the soil P status whereby a chemostatic and dilution behavior was observed for P source and P sink soils, respectively. At the event scale, C-Q patterns were linked to soil P status, flow path connectivity, and mixing of event water, matrix water, and rising shallow groundwater. The predominant anti-clockwise rotational pattern observed on P source soils suggested that, as the discharge event progressed, contributions from P poor waters including matrix and shallow groundwater resulted in lower DRP concentrations on the rising limb compared to the falling limb. However, the variable flushing and dilution behavior observed on the rising limb suggested that, in addition to discharge and soil P status, rapid exchanges between P pools, the magnitude of discharge events (Q), and the relative number of days to discharge peak (D_rel) also regulated DRP delivery. On the other hand, the predominant non-hysteretic C-Q behavior in P sink soils suggest that DRP loss from these soils can be discounted. Our collective results highlight the need for nutrient and conservation practices focused on P drawdown, P sequestration, and P supply close to the crop needs, which will likely be required to convert P sources to sinks and to avoid the conversion of P sinks to sources. </p>

No description available.

Suffosion ist ein hydromechanischer Prozess, welcher die Umlagerung und den Transport von feinen Partikeln eines Bodens infolge einer Wasserströmung beschreibt. Als Folge des Materialverlustes vergrößert sich die Porenzahl und die Dichte verringert sich, wodurch sich auch die hydraulischen und bodenmechanischen Eigenschaften des Bodens verändern. Um die Auswirkungen einer Suffosion besser bewerten zu können, wurden die Einflüsse von geometrischen Faktoren (Anfangsfeinanteil und Probendichte), hydraulischen Faktoren (Filtergeschwindigkeit) sowie der effektiven Spannung untersucht. Anhand von 3D-DEM Simulationen mit binären Mischungen wurde die Struktur (Kontakt- und Kontaktkraftverteilung) eines suffosionsanfälligen Bodens und ihre Änderung infolge der genannten Einflüsse untersucht. Hierbei kann klar erkannt werden, dass die feinen Anteile einer Mischung weniger kontaktiert werden als die groben und auch weniger Kontaktkräfte übertragen. Mit steigender Dichte und steigendem Feinanteil steigen allerdings auch die Kontakte und übertragenen Kontaktkräfte der feinen Partikel deutlich an. Anhand von Laborversuchen mit isotroper Belastung und konstanter Durchströmung, wurden die Auswirkungen der verschiedenen Faktoren auf die ausgetragene Materialmenge, die hydraulischen Eigenschaften des Bodens und die infolgedessen auftretenden Verformungen untersucht. Es zeigt sich ein Anstieg der ausgetragenen Materialmenge für einen steigenden Feinanteil, eine steigende hydraulische Einwirkung, sowie eine geringere Probendichte und eine geringere isotrope Belastung. Mit steigender Materialdichte und abnehmender hydraulischer Einwirkung konnte eine Abnahme des Durchlässigkeitsbeiwertes gezeigt werden, welche auf eine Ablagerung von transportierten Partikeln hindeutet. Eine Dimensionsanalyse der Ergebnisse kann einen direkten Zusammenhang zwischen ausgetragenem Feinmaterial und volumetrischer Dehnung des Probekörpers infolge Suffosion zeigen, welcher durch einen Vergleich mit Ergebnissen aus der Literatur bestätigt werden kann. An erodierten Proben wurden drainierte Triaxialversuche durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass das qualitative Verhalten der erodierten, sowie der intakten Proben hauptsächlich von der relativen Lagerungsdichte des Grobmaterials bestimmt wird. Weiterhin konnte anhand eines Vergleiches mit Literaturergebnissen gezeigt werden, dass hauptsächlich der Bodenzustand vor der Scherung, beschrieben durch Porenzahl und Porenzahl des Grobmaterials, das Scherverhalten bestimmen. Die Art wie dieser Zustand erreicht wurde, ob durch Suffosion oder künstlich hergestellt, scheint keinen wesentlichen Einfluss auf den maximalen Spannungszustand η = q/p0 während der Scherung zu haben. Weiterhin wurde der Erosionsdurchbruch in feinkörnigen Böden infolge einer Kontakterosion an der Grenzfläche eines feinkörnigen Dichtmaterials zu einem grobkörnigen Filtermaterial untersucht. Hierfür wurden künstlich hergestellte, geschichtete Proben durchströmt, um den kritischen hydraulischen Gradienten für einen Erosionsdurchbruch zu ermitteln. Es wurde hierbei festgestellt, dass der Gradient infolge einer steigenden effektiven Spannung und einem steigenden Überkonsolidierungsgrad des Dichtmaterials sowie einem kleineren Porendurchmesser des Filtermaterials steigt. Anhand einer Dimensionsanalyse konnte gezeigt werden, dass der kritische Gradient auch von der Bodenart abhängen muss.

Gelfill (GF) is made of tailings, water, binder and chemical additives (Fillset, sodium silicate gel). The components of GF are combined and mixed on the surface and transported (by gravity and/or pumping) to the underground mine workings, where the GF can be used for both underground mine support and tailings storage. Thermal (T), hydraulic (H), and mechanical (M) properties are important performance criteria of GF. The understanding of these engineering properties and their evolution with time are still limited due to the fact that GF is a new cemented backfill material. In this thesis, the evolution of the thermal, hydraulic, mechanical, and microstructural properties of small GF samples are determined. Various binder contents of Portland cement type I (PCI) are used. The GF is cured for 3, 7, 28, 90, and 120 days. It is found that the thermal, hydraulic and mechanical properties are time-dependent or affected by the degree of binder hydration index. Furthermore, a relationship is found between the compressive strength and the saturated hydraulic conductivity of the GF samples. The unsaturated hydraulic properties of GF samples have also been investigated. The outcomes show that unsaturated hydraulic conductivity is influenced by the degree of binder hydration index and binder content, especially at low suction ranges. Simple functions are proposed to predict the evolution of air-entry values (AEVs), residual water content, and fitting parameters from the van Genuchten model with the degree of hydration index (α). Furthermore, two columns are built to simulate the coupled thermo-hydro-mechanical (THM) behaviour of GF under drained and undrained conditions. The obtained results from the GF columns are compared with the small samples. It is observed that the mechanical properties, hydraulic properties (suction and water content), and temperature development are strongly coupled. The magnitude of these THM coupling factors is affected by the size of the GF. The findings also show that the mechanical, hydraulic and thermal properties of the GF columns are different from samples cured in plastic moulds.

Gelfill (GF) is made of tailings, water, binder and chemical additives (Fillset, sodium silicate gel). The components of GF are combined and mixed on the surface and transported (by gravity and/or pumping) to the underground mine workings, where the GF can be used for both underground mine support and tailings storage. Thermal (T), hydraulic (H), and mechanical (M) properties are important performance criteria of GF. The understanding of these engineering properties and their evolution with time are still limited due to the fact that GF is a new cemented backfill material. In this thesis, the evolution of the thermal, hydraulic, mechanical, and microstructural properties of small GF samples are determined. Various binder contents of Portland cement type I (PCI) are used. The GF is cured for 3, 7, 28, 90, and 120 days. It is found that the thermal, hydraulic and mechanical properties are time-dependent or affected by the degree of binder hydration index. Furthermore, a relationship is found between the compressive strength and the saturated hydraulic conductivity of the GF samples. The unsaturated hydraulic properties of GF samples have also been investigated. The outcomes show that unsaturated hydraulic conductivity is influenced by the degree of binder hydration index and binder content, especially at low suction ranges. Simple functions are proposed to predict the evolution of air-entry values (AEVs), residual water content, and fitting parameters from the van Genuchten model with the degree of hydration index (α). Furthermore, two columns are built to simulate the coupled thermo-hydro-mechanical (THM) behaviour of GF under drained and undrained conditions. The obtained results from the GF columns are compared with the small samples. It is observed that the mechanical properties, hydraulic properties (suction and water content), and temperature development are strongly coupled. The magnitude of these THM coupling factors is affected by the size of the GF. The findings also show that the mechanical, hydraulic and thermal properties of the GF columns are different from samples cured in plastic moulds.

Η μελέτη των γεωμορφολογικών, των ιζηματολογικών, των γεωχημικών και των ορυκτολογικών διεργασιών σε ένα υποβαθμισμένο υγροτοπικό σύστημα κρίνεται απαραίτητη και αναγκαία πριν τη λήψη αποφάσεων, που αφορούν στην αποκατάστασή του, προκειμένου να διερευνηθεί η εξέλιξή του μέσα στο γεωλογικό χρόνο και να προβλεφθούν ενδεχόμενες αρνητικές επιπτώσεις από την επαναδημιουργία του τόσο στον άνθρωπο, όσο και στο περιβάλλον. Η παρούσα έρευνα εστιάστηκε στην περιοχή της αποξηραμένης Λίμνης Μουριάς (Ν. Ηλείας). Η λίμνη αυτή σχηματίστηκε πίσω από παράκτιους αμμώδεις φυσικούς φραγμούς και είχε τροφοδοσία από επιφανειακά ύδατα και θαλασσινό νερό, μέσω ενός διαύλου μήκους περίπου 400 m. Η αποξήρανσή της ολοκληρώθηκε στα τέλη της δεκαετίας του 1960 και οι νέες εκτάσεις δόθηκαν για καλλιέργεια. Σήμερα το μεγαλύτερο τμήμα της περιοχής είναι γεωργικά ανεκμετάλλευτο, λόγω της κακής ποιότητας του εδάφους. Επιπλέον καλύπτεται από σωρούς απορριμμάτων, μπάζων, ενώ υπάρχουν και αυθαίρετα ποιμνιοστάσια και κατοικίες. Οι ανεξέλεγκτες αυτές χρήσεις προκαλούν έντονη δυσοσμία της περιοχής, συμβάλλουν στην οπτική υποβάθμιση του τοπίου, τη ρύπανση των εδαφών και των υπόγειων νερών, ενώ είναι πολλές φορές πηγές επικίνδυνων μεταδοτικών ασθενειών. Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η διερεύνηση των γεωλογικών και εδαφολογικών παραμέτρων της αποξηραμένης Λίμνης Μουριάς. Η έρευνα εστιάστηκε στη μελέτη των φυσικών και μηχανικών ιδιοτήτων των ιζημάτων της περιοχής, καθώς επίσης των ορυκτολογικών και των χημικών τους συστατικών. Στόχος είναι η πληρέστερη κατανόηση των παραγόντων, που επηρέασαν το σχηματισμό και την εξέλιξη του συγκεκριμένου υγροτοπικού συστήματος μέσα στο χώρο και το χρόνο, η εκτίμηση του μεγέθους της ανθρωπογενούς επίδρασης και του βαθμού υποβάθμισης της περιοχής μετά την αποξήρανση της λίμνης, καθώς επίσης και η διερεύνηση της δυνατότητας εφαρμογής ενός ολοκληρωμένου προγράμματος αποκατάστασης και αειφορικής διαχείρισης, μέσω της εφαρμογής πιλοτικού επαναπλημμυρισμού μικρού τμήματος της περιοχής και της παρακολούθησής του. Για το σκοπό αυτόν πραγματοποιήθηκε εκτεταμένη εργασία υπαίθρου σε όλη την περιοχή της αποξηραμένης Λίμνης Μουριάς, στα πλαίσια της οποίας έγινε αναλυτική τοπογραφική και γεωλογική χαρτογράφηση, καθώς και δειγματοληψία πυρήνων ιζημάτων, σε βάθη έως και 5 m. Η περιοχή, που πραγματοποιήθηκε ο πιλοτικός επαναπλημμυρισμός, έχει έκταση 5 στρεμμάτων περίπου και η θέση της επιλέχθηκε μεταξύ των περιοχών ιδιοκτησίας του Δήμου Πύργου. Ο σχεδιασμός της πιλοτικής λίμνης και η κατασκευή της έγινε έτσι, ώστε η νέα λίμνη να εξυπηρετεί κοινωνικούς, εκπαιδευτικούς και ερευνητικούς σκοπούς, καθώς επίσης και να αναβαθμίζει την αισθητική του τοπίου της περιοχής. Για την πληρέστερη γεωλογική αποτύπωση και την επιτυχή κατασκευή της πιλοτικής λίμνης χαρτογραφήθηκε λεπτομερώς η έκταση των 5 στρεμμάτων και πραγματοποιήθηκε λεπτομερής δειγματοληψία πυρήνων ιζημάτων, σε βάθη έως και 2 m. Τα δείγματα από την περιοχή της αποξηραμένης λίμνης μελετήθηκαν ως προς τις φυσικές τους ιδιότητες, όπως υγρασία, pH, ηλεκτρική αγωγιμότητα, κοκκομετρική κατανομή και οργανικό υλικό, καθώς επίσης και ως προς τα ορυκτολογικά τους συστατικά. Ωστόσο η πλειονότητα των εργαστηριακών προσδιορισμών και αναλύσεων πραγματοποιήθηκε στα δείγματα που συλλέχθηκαν από την περιοχή πιλοτικού επαναπλημμυρισμού, καθώς έπρεπε να εξεταστεί η καταλληλότητα των ιζημάτων της περιοχής για την ασφαλή και επιτυχή κατασκευή της πιλοτικής λίμνης. Στα δείγματα αυτά προσδιορίστηκαν η υγρασία, το pH, η ηλεκτρική αγωγιμότητα, το ειδικό και το φαινόμενο βάρος των κόκκων, το πορώδες και ο λόγος κενών, η κοκκομετρική σύσταση, η συνεκτικότητα, η ικανότητα ανταλλαγής κατιόντων, οι περιεκτικότητες σε ανθρακικό ασβέστιο, οργανικό υλικό, κύρια στοιχεία και ιχνοστοιχεία (με Flame Atomic Absorption Spectrometry και Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry), ολικό οργανικό άνθρακα και διαθέσιμα θρεπτικά συστατικά (με Flame Atomic Absorption Spectrometry και Continuous Flow Analyzer), καθώς και τα ορυκτολογικά συστατικά (με X-ray Diffraction). Ο αργιλικός ορίζοντας, που βρίσκεται σε βάθος περίπου 1 m από τη σημερινή επιφάνεια του εδάφους και απαντάται σε όλη την περιοχή επαναπλημμυρισμού, μελετήθηκε ως προς την υδροπερατότητά του. Επίσης εκτελέστηκαν δοκιμές στερεοποίησης και συμπύκνωσης στα ιζήματα αυτού του ορίζοντα, λόγω του ότι πρόκειτο να αποτελέσει τον πυθμένα της πιλοτικής λίμνης και το υλικό του θα χρησιμοποιόταν για την επίστρωση και στεγανοποίηση των πρανών της. Στα δείγματα που συλλέχθηκαν μέσα από την πλημμυρισμένη με όμβρια ύδατα πιλοτική λίμνη πραγματοποιήθηκαν προσδιορισμοί της υγρασίας, του pH, της ηλεκτρικής αγωγιμότητας, των περιεκτικοτήτων σε οργανικό υλικό και ανθρακικό ασβέστιο, της ικανότητας ανταλλαγής κατιόντων, των ορυκτολογικών συστατικών, των συγκεντρώσεων των κύριων στοιχείων, των ιχνοστοιχείων, του ολικού οργανικού άνθρακα και των διαθέσιμων θρεπτικών συστατικών. Στην παράκτια ζώνη της πρώην Λίμνης Μουριάς αναγνωρίστηκαν από κάτω προς τα πάνω ιζήματα του συστήματος φυσικών φραγμών Αγουλινίτσας, οργανογενείς λάσπες ελώδους ζώνης, ιζήματα λιμνοθαλάσσιου πυθμένα, ιζήματα φραγματικού πεδίου και ιζήματα του σημερινού συστήματος φυσικών αμμωδών φραγμών. Το κύριο τμήμα της περιοχής πίσω από την παράκτια περιοχή και προς την ενδοχώρα αποτελείται από λεπτόκοκκα ιζήματα ποτάμιας προέλευσης, τα οποία συνιστούν τα ιζήματα του λιμνοθαλάσσιου πυθμένα. Το βόρειο τμήμα της περιοχής αποτελείται επίσης από ιζήματα ποτάμιας προέλευσης και συνιστά το χερσαίο περιθώριο της λίμνης/λιμνοθάλασσας. Στην περιοχή επαναπλημμυρισμού διακρίθηκαν από κάτω προς τα πάνω ιζήματα του συστήματος φυσικών φραγμών Αγουλινίτσας και ιζήματα λιμνοθαλάσσιου πυθμένα. Η γενική απουσία οργανογενών ιζημάτων, με εξαίρεση αυτά της ελώδους ζώνης, δείχνει ότι στην περιοχή αυτή δεν επικράτησαν ποτέ οι κατάλληλες συνθήκες, οι οποίες ευνοούν τη συσσώρευση τύρφης σε παράκτια περιβάλλοντα, που σχηματίζονται πίσω από αμμώδεις φραγμούς. Φαίνεται δηλαδή ότι η συνεχής εισροή θαλασσινού νερού είχε ως επακόλουθο την άνοδο της στάθμης του νερού της λίμνης/λιμνοθάλασσας, γεγονός που εμπόδιζε τη συσσώρευση τυρφογενετικού υλικού, με αποτέλεσμα την παρουσία πολύ μικρών συγκεντρώσεων οργανικού υλικού στα ιζήματα της περιοχής. Η παθογένεια των εδαφών της αποξηραμένης Λίμνης Μουριάς και η ακαταλληλότητά τους για καλλιέργεια έγκειται στο γεγονός, ότι είναι μετρίως έως πολύ ισχυρώς αλκαλικά, με αυξημένες τιμές ηλεκτρικής αγωγιμότητας, που οφείλονται στις κακές συνθήκες στράγγισης της περιοχής, καθώς και στον αβαθή υφάλμυρο υδροφόρο ορίζοντα. Τα ιζήματα της περιοχής συνίστανται από πυριτικά ορυκτά, όπως χαλαζία, αστρίους, ιλλίτη, χλωρίτη, καολινίτη και βερμικουλίτη, ανθρακικά ορυκτά, όπως ασβεστίτη, δολομίτη και αραγωνίτη, και χλωριούχα ορυκτά, όπως αλίτη και συλβίτη. Στα δείγματα του φραγματικού πεδίου αναγνωρίστηκαν θειούχα (σιδηροπυρίτης), θειικά ορυκτά (ανυδρίτης) και οξείδια (αιματίτης). Όλα τα παραπάνω ορυκτά αποτελούν αλλόχθονα συστατικά των ιζημάτων της πρώην λίμνης, ενώ κάποια από αυτά σχηματίστηκαν και αυθιγενώς. Οι κλαστικοί κόκκοι προήλθαν από την αποσάθρωση και διάβρωση των Πλειο-Πλειστοκαινικών ιζημάτων, που συνιστούν τα ευρύτερα περιθώρια της λεκάνης του Πύργου, και των πετρωμάτων της υδρολογικής λεκάνης του Αλφειού Ποταμού και μεταφέρθηκαν στην περιοχή μέσω της ποτάμιας και της κυματικής δράσης. Επίσης ένα μέρος των κλαστικών κόκκων των ορυκτών στα ιζήματα της περιοχής μελέτης πιθανά μεταφέρθηκε με τον άνεμο. Τα ιζήματα, που συνιστούν τον αργιλικό ορίζοντα πάχους περίπου 1,5 m σε βάθος περίπου 1 m από τη σημερινή επιφάνεια του εδάφους στην περιοχή επαναπλημμυρισμού, είναι ανόργανες άργιλοι μέσης πλαστικότητας σύμφωνα με το σύστημα ταξινόμησης των εδαφών για μηχανικούς σκοπούς. Μελλοντικά προβλήματα επιφανειακής ολίσθησης των πρανών από τη διόγκωση των αργιλικών ορυκτών (βερμικουλίτη), καθώς και θολερότητας του νερού της λίμνης, πιθανά θα προκύψουν λόγω του ότι η συμπύκνωση της αργιλικής επένδυσης δεν έγινε με το συνιστώμενο σε τέτοιες περιπτώσεις τεχνικό εξοπλισμό (ποδαρικά). Ωστόσο δεν αναμένονται ουσιαστικά προβλήματα διαφυγών νερού τόσο από τον πυθμένα της λίμνης, όσο και από τα πρανή της λόγω της μικρής υδροπερατότητας των ιζημάτων αυτών. Από την καλή συσχέτιση της ικανότητας ανταλλαγής κατιόντων με την περιεκτικότητα σε αργιλικό κλάσμα, συμπεραίνεται ότι η μεγάλη ιοντοανταλλακτική ικανότητα των ιζημάτων της περιοχής επαναπλημμυρισμού οφείλεται σχεδόν αποκλειστικά στα αργιλικά ορυκτά και όχι στην παρουσία του οργανικού υλικού. Τα ιζήματα με τη μεγαλύτερη περιεκτικότητα σε αργιλικά ορυκτά και ολικό οργανικό άνθρακα παρουσίασαν ιδιαίτερα αυξημένες συγκεντρώσεις σε As, Co, Cr, Cu, Li, Mn, Ni, Pb και V. Οι υψηλές περιεκτικότητες των ιζημάτων της περιοχής επαναπλημμυρισμού σε αυτά τα στοιχεία δεν συνδέονται απαραίτητα με ανθρωπογενείς επιδράσεις, αλλά φαίνεται ότι καθοριστικό ρόλο στη σύστασή τους έπαιξε η χημική σύσταση του μητρικού πετρώματος. Ωστόσο πιθανή ρύπανση των εδαφών της περιοχής μπορεί να προέρχεται από την εκτεταμένη χρήση φυτοφαρμάκων στις καλλιεργήσιμες εκτάσεις, καθώς και από την ανεξέλεγκτη απόρριψη σκουπιδιών στις ανεκμετάλλευτες περιοχές. Οι τιμές των ατομικών λόγων ολικού οργανικού άνθρακα προς ολικό άζωτο δηλώνουν προσφορά οργανικού υλικού τόσο από υδρόβιους, όσο και από χερσαίους οργανισμούς. Μετά την κατάκλυση της πιλοτικής λίμνης με όμβρια νερά παρατηρήθηκε μικρή αύξηση των συγκεντρώσεων των ιζημάτων της λίμνης σε C, N, S και ολικό οργανικό C, σε σχέση με αυτές πριν τον επαναπλημμυρισμό, γεγονός που δείχνει ότι σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα ξεκίνησε η βιολογική δραστηριότητα. Παράλληλα η αύξηση της περιεκτικότητας των ιζημάτων σε βιοδιαθέσιμο Κ, συμβάλλει στην ανάπτυξη της υδρόβιας και της ελόβιας βλάστησης της λίμνης. Συγκριτικά με τις μέσες περιεκτικότητες των ιζημάτων πριν από τον επαναπλημμυρισμό, τα επιφανειακά ιζήματα του πυθμένα της πιλοτικής λίμνης δεν παρουσιάζουν εμπλουτισμό στα ιχνοστοιχεία As, Co, Cr, Cu, Li, Mn, Ni, Pb και V. Αντίθετα οι συγκεντρώσεις τους φαίνεται να παραμένουν σταθερές ή να αυξάνονται λίγο σε σχέση με την προηγούμενη κατάσταση. Οι έντονα αλκαλικές συνθήκες (υψηλό pH), που επικρατούν στα εδάφη και τα ιζήματα της νέας λίμνης, δρουν ανασταλτικά στην κινητικότητα των ιχνοστοιχείων, αυξάνοντας το ποσοστό συγκράτησής τους στα ανόργανα συστατικά και μειώνοντας τη διαλυτότητά τους στο νερό της πιλοτικής λίμνης. Συνεπώς δεν αναμένεται ρύπανση του νερού της λίμνης από τα επικίνδυνα αυτά ιχνοστοιχεία, ούτε φυτοτοξικότητα των νέων φυτικών ειδών που θα αναπτυχθούν. Η συνεχής παρακολούθηση της χημικής σύστασης των ιζημάτων της πιλοτικής λίμνης, των φυσικών τους ιδιοτήτων, αλλά και των μεταβολών τους μέσα στο χρόνο, κρίνεται απαραίτητη για μεγάλο χρονικό διάστημα, καθώς ενδεχόμενη μεταβολή των συνθηκών που επικρατούν σήμερα, θα διαταράξει την ισορροπία του συστήματος της πιλοτικής λίμνης προκαλώντας ενδεχόμενα αύξηση της κινητικότητας των ιχνοστοιχείων και αποδέσμευσή τους στο περιβάλλον. / Before taking a decision for restoration of a degraded wetland, the study of geomorphological, sedimentological, mineralogical and geochemical processes, which contributed to the wetland’s formation and evolution, is essential and necessary, in order to assess environmental impacts from restoration. The objective of the present thesis was to study the geological and pedological features in the area of the drained Mouria Lake (Prefecture of Elia, Western Peloponnese). The interest was focused on the physical and the mechanical properties of the sediments, as well as on their mineralogical and chemical composition. The aim was a better understanding of the factors that controlled the wetland’s temporal and spatial evolution and the assessment of the degree of degradation and anthropogenic impacts after drainage. The ultimate aim was to implement an integrated restoration and rehabilitation plan of the former lake, based on the knowledge and experience that were acquired during the construction and monitoring of a pilot-scale wetland. Fieldwork included topographical and geological mapping, as well as sediment sampling, carried out all over the area of the former Mouria Lake. Physical properties such as moisture, acidity/alkalinity, electric conductivity, particle size distribution, as well as the organic and the mineral matter contents of the sediment samples from the drained lake, were determined in laboratory. The pilot-scale wetland, being approx. 0.5-ha large, was designed and constructed within the land owned to the Pyrgos Municipality with the purpose to meet mainly human (aesthetic, commercial and educational) needs. At the latter site detailed geological, topographical mapping and sediment logging and sampling were conducted, in order to study the bottom and the bank formations of the new pilot-scale wetland. On these sediment samples moisture, pH, electric conductivity, particle density, bulk unit weight, porosity and void ratio, particle size distribution, soil consistence (Atterberg limits), cation exchange capacity, calcium carbonate and organic matter contents, major and trace element contents using FAAS and ICP-MS, respectively, total organic carbon and plant-available nutrients contents and mineralogical composition applying X-ray diffractomentry, were conducted. The permeability, the consolidation and the compaction of the clay horizon, which lies c. 1 m beneath surface all over the study area, were determined, since this horizon constitutes the bottom of the pilot-scale wetland and is also used for sealing up the banks. Sediments from the wetland’s bottom were picked up, after the filling in with rainwater, and examined for moisture, pH values, electric conductivity, organic matter and calcium carbonate contents, cation exchange capacity, major and trace element contents, total organic carbon, plant-available nutrients and mineral matter contents. At the coastal zone of the former Mouria Lake, the Agoulinitsa sand-barrier islands, organogenic mud from the coastal telmatic zone, lagoonal bottom sediments, barrier flat sediments and modern sand-barrier islands occur from bottom to top. The main part of the drained area landwards, consists of fine lagoonal bottom sediments of fluvial origin, while the northern part consists of lagoonal marginal sediments also of fluvial origin. Lagoonal bottom sediments comprise the uppermost horizon of the re-flooded area, which overlies the Agoulinitsa sand-barrier islands. The lack of organogenic sediments at this area, except these at a small coastal telmatic zone, indicates that conditions did never favour peat accumulation. The continuous input of sea water into the lagoon due to the negative altitudes of the entire area of the former lake may have resulted in rising of the water level and mixing with sea water in the lagoon, which prevented peat accumulation. The medium to high alkalinity and the high electric conductivity, the latter due to the combination of poor drainage and the evaporation from the shallow brackish aquifer, resulted in soil pathogenesis and unsuitability for cultivation. The sediments at the new-wetland site consist of silicate minerals such as quartz, feldspars, illite, chlorite, kaolinite and vermiculite, carbonates such as calcite, dolomite and aragonite, and chloride minerals such as halite and sylvite. In the samples picked up from the barrier flat and telmatic zone, also pyrite, anhydrite and hematite were identified. Most of these constituents have a clastic origin, but some of them may form authigenically. The main factor controlling the clastic mineral influx is weathering and erosion of the Plio-Pleistocene formations, which constitute the hilly marginal areas, as well as of rocks transported by the Alpheios River from its catchment basin. Part of minerals deposited into the former lake, were airborne. The 1.5 m thick layer consisting of inorganic clay and lying 1 m beneath surface at the selected area, reveals a moderate plasticity. Future problems such as slope slides, clay swelling and turbidity in the water may arise in the pilot-scale wetland, because the equipment used for the construction of the wetland banks was not the appropriate one for clay liner compaction. However, the clay sediments do not allow water to escape through the bottom and the banks of the new wetland. The excellent correlation between cation exchange capacity and clay fraction content indicates that the clay minerals play an important role to the high cation exchange capacity of the sediments in contrast to the organic matter. High concentrations of As, Co, Cr, Cu, Li, Mn, Ni, Pb and V were determined in sediments with high clay mineral and total organic carbon contents. The weathering of the pre-Neogene and Neogene formations of the marginal areas is considered to be the major factor controlling the chemical composition of the sediments, but anthropogenic activities may contribute as well. The main activities taking place in the area of the drained Mouria Lake, which may result in the sediment contamination are the extensive use of fertilizers at the cultivated areas, as well as waste dumping. The atomic ratio values of total organic carbon to total nitrogen contents reveal organic matter supply both from aquatic and terrestrial plant species. The higher concentrations of C, N, S and total organic carbon of the sediments from the bottom of the pilot-scale wetland, in comparison to those before the construction of the new wetland, reveal that biological activity commenced after a quite short time. Additionally, the increase of bioavailable K content in these sediments positively affects the development of aquatic and helophytic vegetation. In comparison to the average trace element concentrations of the sediments from the pilot-scale wetland before filling in with rainwater, the bottom sediments do not reveal any enrichment in As, Co, Cr, Cu, Li, Mn, Ni, Pb and V. Strongly alkaline soil conditions decrease trace element mobility, as well as their solubility into the water. Under these conditions neither water contamination from hazardous soil trace elements nor plant toxicity are expected. Continuous monitoring of the chemical composition and the physical properties of the pilot-scale wetland sediments and their changes through time, is necessary, in order to assess and prevent a possible mobilization of trace elements and the subsequent release to the environment.

Gelfill (GF) is made of tailings, water, binder and chemical additives (Fillset, sodium silicate gel). The components of GF are combined and mixed on the surface and transported (by gravity and/or pumping) to the underground mine workings, where the GF can be used for both underground mine support and tailings storage. Thermal (T), hydraulic (H), and mechanical (M) properties are important performance criteria of GF. The understanding of these engineering properties and their evolution with time are still limited due to the fact that GF is a new cemented backfill material. In this thesis, the evolution of the thermal, hydraulic, mechanical, and microstructural properties of small GF samples are determined. Various binder contents of Portland cement type I (PCI) are used. The GF is cured for 3, 7, 28, 90, and 120 days. It is found that the thermal, hydraulic and mechanical properties are time-dependent or affected by the degree of binder hydration index. Furthermore, a relationship is found between the compressive strength and the saturated hydraulic conductivity of the GF samples. The unsaturated hydraulic properties of GF samples have also been investigated. The outcomes show that unsaturated hydraulic conductivity is influenced by the degree of binder hydration index and binder content, especially at low suction ranges. Simple functions are proposed to predict the evolution of air-entry values (AEVs), residual water content, and fitting parameters from the van Genuchten model with the degree of hydration index (α). Furthermore, two columns are built to simulate the coupled thermo-hydro-mechanical (THM) behaviour of GF under drained and undrained conditions. The obtained results from the GF columns are compared with the small samples. It is observed that the mechanical properties, hydraulic properties (suction and water content), and temperature development are strongly coupled. The magnitude of these THM coupling factors is affected by the size of the GF. The findings also show that the mechanical, hydraulic and thermal properties of the GF columns are different from samples cured in plastic moulds.

Cette recherche vise à analyser et à identifier, par des essais, le comportement au fluage d'une argile de type kaolinite sous un état de contraintes triaxial. Une investigation fine de l’état microstructural, avant et après fluage, a par ailleurs été réalisée. Les résultats macroscopiques ont permis de constater que des phénomènes de dilatance et de contractante s’amplifient pendant le fluage. Les résultats montrent également que la position, sur le plan des contraintes (p'-q), du niveau de contrainte vis-à-vis des différents domaines volumétriques, contrôle le développement de la déformation au fluage et du taux de déformation. Les résultats de MEB ont montré que l'évolution microstructurale de l'argile, après le chargement mécanique, dépend fortement de l'histoire du chargement. / The objective of this research is to analyze the creep behavior of a typical clay along triaxial tests, moreover, to analyze the microstructural mechanisms of creep. Analysis on the macroscopic results ascertained that both dilatancy and contractancy phenomena could occur during creep. The magnitude of the dilatancy/contractancy during creep was guided by the test conditions: stress level and the over consolidation ratio, which specifically governed the direction of the volumetric strain variations. The results of SEM indicated that the microstructural evolution of the clay after the mechanical loading depend on the stress history. Afterwards, the structural evolution in creep phase depends on the structural pattern developed in monotonic loading

Gelfill (GF) is made of tailings, water, binder and chemical additives (Fillset, sodium silicate gel). The components of GF are combined and mixed on the surface and transported (by gravity and/or pumping) to the underground mine workings, where the GF can be used for both underground mine support and tailings storage. Thermal (T), hydraulic (H), and mechanical (M) properties are important performance criteria of GF. The understanding of these engineering properties and their evolution with time are still limited due to the fact that GF is a new cemented backfill material. In this thesis, the evolution of the thermal, hydraulic, mechanical, and microstructural properties of small GF samples are determined. Various binder contents of Portland cement type I (PCI) are used. The GF is cured for 3, 7, 28, 90, and 120 days. It is found that the thermal, hydraulic and mechanical properties are time-dependent or affected by the degree of binder hydration index. Furthermore, a relationship is found between the compressive strength and the saturated hydraulic conductivity of the GF samples. The unsaturated hydraulic properties of GF samples have also been investigated. The outcomes show that unsaturated hydraulic conductivity is influenced by the degree of binder hydration index and binder content, especially at low suction ranges. Simple functions are proposed to predict the evolution of air-entry values (AEVs), residual water content, and fitting parameters from the van Genuchten model with the degree of hydration index (α). Furthermore, two columns are built to simulate the coupled thermo-hydro-mechanical (THM) behaviour of GF under drained and undrained conditions. The obtained results from the GF columns are compared with the small samples. It is observed that the mechanical properties, hydraulic properties (suction and water content), and temperature development are strongly coupled. The magnitude of these THM coupling factors is affected by the size of the GF. The findings also show that the mechanical, hydraulic and thermal properties of the GF columns are different from samples cured in plastic moulds.

This research work concentrate on developing digital soil maps to support field based plant phenotyping research. We have developed soil organic matter content (OM), cation exchange capacity (CEC), natural soil drainage class, and tile drainage line maps using topographic indices and aerial imagery. Various prediction models (universal kriging, cubist, random forest, C5.0, artificial neural network, and multinomial logistic regression) were used to estimate the soil properties of interest.