Αξιολόγηση Εναλλακτικών Μαθηματικών Μοντέλων Προσομοίωσης Διακίνησης Ρύπων σε Ποτάμια - Κονδύλη, Αλεξάνδρα (Εθνικό Μετσόβιο. Πολυτενχείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, 2014)
Τα Μοντέλα ανάλυσης της ποιότητας των υδάτων είναι εργαλεία για την περιγραφή των χωρικών και χρονικών μεταβολών που υπόκεινται διάφορα συστατικά που επιδρούν στην ποιότητα του υδάτινου περιβάλλοντος. Κάθε μοντέλο της ποιότητας του νερού έχει τα δικά του μοναδικά χαρακτηριστικά και σκοπό προσομοίωσης. Αν και κάθε μοντέλο μπορεί να δώσει μόνο μια απλοποιημένη αναπαράσταση της πραγματικότητας παρ’ όλα αυτά τα συμπεράσματα των προσομοιώσεων μπορεί να είναι καθοριστικά για τη μελλοντική κατάσταση του φυσικού συστήματος που εξετάζεται. Το ΜΙΚΕ 11 αποτελεί ένα τέτοιο εργαλείο. Αποτελεί μέρος του ΜΙΚΕ της DHI και αφορά στον σχεδιασμό και τη μονοδιάστατη προσομοίωση της ροής και της ποιοτικής κατάστασης απλών και σύνθετων ποταμών. Αποτελεί ένα από τα πιο σύγχρονα και ευρέως χρησιμοποιούμενα μοντέλα σήμερα. Το ΜΙΚΕ 11/ECO Lab περιλαμβάνει τρία μοντέλα: το υδροδυναμικό μοντέλο (HD), το μοντέλο μεταγωγής-διασποράς (AD) και το ποιοτικό μοντέλο (Ecolab). Το HD μοντέλο βασίζεται στις εξισώσεις Saint Venant που περιγράφουν τη ροή σ’ ένα ποτάμι ενώ η αριθμητική μέθοδος που χρησιμοποιεί είναι το σχήμα 6 σημείων γνωστό ως Σχήμα Abbott 6-σημείων (6-point Abbott scheme). Το μοντέλο δέχεται ως δεδομένα εισόδου το ψηφιακό ανάγλυφο της περιοχής μελέτης, τη παροχή εισόδου (οριακή συνθήκη ανάντη) και τη γεωμετρία του ποταμού. Η βαθμονόμηση του μοντέλου γίνεται με γνωστές καμπύλες στάθμης – παροχής και την επιλογή κατάλληλου συντελεστή τραχύτητας. Το AD μοντέλο αφορά τη μεταγωγή με τη κύρια ροή και τη διασπορά λόγω διαφοράς συγκέντρωσης. Δέχεται ως δεδομένα εισόδου τις συγκεντρώσεις των, υπό εξέταση, ουσιών και τον συντελεστή διασποράς. Το AD μοντέλο είναι δυναμικά συνδεδεμένο με το ECO Lab ώστε οι συγκεντρώσεις σε κάθε χρονικό βήμα να λαμβάνουν υπόψη εκτός από τις διάφορες βιολογικές και βιοχημικές διαδικασίες και τα φαινόμενα μεταφοράς-διασποράς. Το ECO Lab περιέχει διάφορα μοντέλα ποιοτικής ανάλυσης. Ένα από αυτά είναι το μοντέλο Ποιότητας νερού (Water Quality module, WQ) που περιλαμβάνει μεταξύ άλλων τις μεταβλητές BOD, DO, αμμωνιακά, νιτρικά, φωσφορικά και κολοβακτηρίδια. Ανάλογα με τις διεργασίες (οξείδωση οργανικής ύλης, νιτροποίηση, απονιτροποίηση, ζήτηση οξυγόνου από ιζήματα, φωτοσύνθεση κ.α.) που επιλέγεται να εξεταστούν κάθε φορά, το ποιοτικό μοντέλο μπορεί να προσαρμοστεί σε διαφορετικά επίπεδα. Η πολυπλοκότητα του μοντέλου κυμαίνεται από την πιο απλή μορφή (επίπεδο 1), η οποία περιλαμβάνει BOD και DO μόνο, μέχρι το πιο σύνθετο επίπεδο, όπου το BOD χωρίζεται σε τρία κλάσματα: διαλυμένο, αιωρούμενο και καθιζάνων (επίπεδο 6). Επιπλέον σε κάποια επίπεδα εξετάζονται και οι επιδράσεις των θρεπτικών συστατικών (επίπεδα 3,4,6) ενώ η μοντελοποίηση του φωσφόρου και των κολοβακτηριδίων μπορεί να συμπεριληφθεί σε όλα τα επίπεδα. Στη παρούσα εργασία το ΜΙΚΕ 11/ΕCO Lab εφαρμόστηκε στο κύριο ρεύμα του Βοιωτικού Κηφισού για διάφορες εφαρμογές. Αρχικά έγινε ανάλυση ευαισθησίας στα τέσσερα πρώτα επίπεδα του μοντέλου (1-4) για την αξιολόγηση της επίδρασης των διαφόρων παραμέτρων των διεργασιών του μοντέλου, στις συγκεντρώσεις του διαλυμένου οξυγόνου DO, του οργανικού υλικού ΒΟD και στις συγκεντρώσεις των διαφόρων μορφών αζώτου (αμμωνιακά, νιτρικά) Από την ανάλυση ευαισθησίας προέκυψε ότι κάθε μια από τις παραμέτρους που εξετάστηκαν έχουν την ίδια επίδραση στις συγκεντρώσεις των υπό μελέτη μεταβλητών σε όλα τα επίπεδα του μοντέλου που εξετάστηκαν. Επίσης αναδείχθηκαν ως κρίσιμοι παράμετροι για την συγκέντρωση του ΒΟD, η σταθερά διάσπασης της οργανικής ύλης στους 20 ºC K3 (1/day) και για την συγκέντρωση του DO ο ρυθμός αναπνοής στους 20 ºC, R2 (gO2/m²/day). Επιπλέον προέκυψε ότι στα επίπεδα 2 και 4 σημαντική επίδραση στο DO ασκεί και η ζήτηση του οξυγόνου από τα ιζήματα Β1 (gO2/m²/day). Στη συνέχεια για την σύγκριση των επιπέδων του μοντέλου (1-6) έγιναν προσομοιώσεις με τα ίδια δεδομένα για όλα τα επίπεδα. Από τη σύγκριση αυτή συμπεραίνεται πως η καθίζηση του οργανικού υλικού (επίπεδα 2,4,5,6) και η ζήτηση οξυγόνου από τα ιζήματα, είναι αυτές που επηρεάζουν καθοριστικά την συγκέντρωση του ΒΟD και του DO, σε αντίθεση με την νιτροποίηση (επίπεδα 3,4,6), την απονιτροποίηση (επίπεδα 4,6) και την κλασματοποίση του ΒΟD που δεν φαίνεται να επηρεάζουν σημαντικά τη συγκέντρωση τους. Επίσης προέκυψε ότι το επίπεδο 4 είναι το καταλληλότερο για την προσομοίωση του ποταμού αφού αποτελεί ένα ολοκληρωμένο μοντέλο προσομοίωσης σε επίπεδο διεργασιών στο υδάτινο περιβάλλον αξιοποιώντας παράλληλα έναν λογικό φόρτο δεδομένων. Για τους παραπάνω λόγους επιλέχθηκε το επίπεδο 4 στο οποίο προστέθηκαν και οι διεργασίες του φωσφόρου και κολοβακτηριδίων για εφαρμογή στο Βοιωτικό Κηφισό, με δεδομένα εισόδου που προέκυψαν από μετρήσεις που πραγματοποιούνται στο πλαίσιο του εθνικού προγράμματος παρακολούθησης των υδάτων της χώρας και από το Σχέδιο Διαχείρισης των Λεκανών Απορροής Ποταμών του Υδατικού Διαμερίσματος Ανατολικής Στερεάς Ελλάδας (YΠΕΚΑ, 2013). Από την εφαρμογή προέκυψε ότι οι συγκεντρώσεις των υπό εξέταση μεταβλητών συμφωνούν με τις πειραματικές και είναι εντός των θεσμοθετημένων ορίων σε όλα τα σημεία του ποταμού.(Περιβαλλοντικά Πρότυπα ΚΥΑ 20488/31-05-2010 για την λεκάνη απορροής του Ασωπού). Τέλος μελετήθηκε η προσομοίωση ενός υποθετικού σεναρίου πολύ δυσμενέστερου του κανονικού για να αναδειχθεί η ικανότητα του μοντέλου για εύρεση λύσης σε περίπτωση ρυπασμένου ποταμού. Από τα αποτελέσματα της προσομοίωσης παρατηρήθηκε υπέρβαση του θεσμοθετημένου ορίου για το DO και το ΒΟD κατάντη της σημειακής πηγής (παραπόταμος Έρκυνα στον οποίο είναι εγκατεστημένες ΕΕΛ και βιομηχανία). Για το λόγο αυτό έγιναν διαδοχικές προσομοιώσεις μειώνοντας σταδιακά τη συγκέντρωση του BOD στην σημειακή πηγή, μέχρι η συγκέντρωση του ΒΟD και DO σε όλες τις θέσεις του ποταμού κατάντη της σημειακής πηγής να μην υπερβαίνει τα θεσμοθετημένα όρια. Αυτό επιτεύχθηκε με μείωση 45% του ΒΟD στην σημειακή πηγή. Τα συμπεράσματα από την μελέτη και την εξοικείωση με το λογισμικό ΜΙΚΕ 11 ήταν ικανοποιητικά. Αν και αποτελεί ένα ιδιαίτερα πολύπλοκο λογισμικό όσον αφορά τις δυνατότητές του μπορεί να λειτουργήσει ικανοποιητικά και για την προσομοίωση απλών μοντέλων. Επιπλέον, δίνει τη δυνατότητα στο χρήστη να εξετάσει από απλά συστήματα αποξυγόνωσης μέχρι πολύπλοκα συστήματα που περιλαμβάνουν πολλές μεταβλητές και διεργασίες. Συμπερασματικά, το ΜΙΚΕ 11 κρίνεται ως ένα αξιόλογο εργαλείο για την ποιοτική προσομοίωση ποιοτικών χαρακτηριστικών ποτάμιων συστημάτων.