προσαρμοσμένη στις ελληνικές συνθήκες. Σκοπός του άρθρου δεν είνα ι η εξονυχιστική

Transcript

1 ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΟΡΘΟΛΟΓΙΚΟΥ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΔΙΑΘΕΣΗΣ ΛΥΜΑΤΩΝ ΣΤΗ ΘΑΛΑΣΣΑ Η. Α. Βαλιούλης και 1. Ν. Κρεστενίτης Τομέας Υδραυλικής και Τεχνικής Περιβάλλοντος Τμήμα Πολιτικών Μηχαν ι κών Α. Π.θ. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ανεξάρτητα από τη μελλοντική διάδοση εναλλακτικών τρόπων διάθεσης υγρών λυμάτων, η υποθαλάσσια διάθεση παραμένει ο συνηθέστερος τρόπος απόρριψης στο περιβάλλον του τεράστιου όγκου των λυμάτων που δημιουργούνται καθημερινά. Παράλληλα προς το πλήθος των εγκαταστάσεων βιολογικών καθαρισμών που κατασκευάζονται ή έχουν προγραμματισθεί στον ελληνικό χώρο, είναι απαρα ίτητη και η κατασκευή υποθαλάσσιων αγωγών διάθεσης των επεξεργασμένων λυμάτων. Η μακροχρόνια, πλέον, ενασχόληση με εγκαταστάσεις βιολογικών καθαρισμών έχει αποδόσει μία αφθονία συγγραμμάτων, προδιαγραφών αλλά και εμπειρ ί ας, όπου μπορεί να καταφύγει ο μελετητής μηχανικός. Αντίθετα, η σπανιότητα λειτουργούντων υποθαλάσσιων αγωγών διάθεσης στην Ελλάδα και η ιδιαιτερότητα του αντικειμένου, συνδιαζόμενες με την έλλειψη σχετικής ελληνικής βιβλιογραφίας, οδηγούν συχνά σε αυθαίρετες λύσε ι ς με δυσμενείς επιπτώσεις για το περιβάλλον. Το άρθρο αυτό απευθύνεται στο μηχανικό-μελετητή που καλείται να σχεδιάσει το σύστημα υποθαλάσσιας διάθεσης μίας εγκατάστασης επεξεργασίας λυμάτων που εξυπηρετεί μερ ι κές }(Ιλlάδες κατοίκους. Επιχειρείται η διατύπωση μίας ορθολογιστικής προσέγγισης του προβλήματος που εστιάζει στις περιβαλλοντικές συνέπειες και είνα ι προσαρμοσμένη στις ελληνικές συνθήκες. Σκοπός του άρθρου δεν είνα ι η εξονυχιστική παρουσίαση της θεωρίας των ανωστικών φλεβών και πλουμίων αλλά η διατύπωση των βασικών αρχών που πρέπει να τηρούνται κατά το σχεδιασμό ενός υποθαλάσσιου αγωγού ώστε να προληφθούν δυσάρεστα περιβαλλοντικά προβλήματα. Παρατίθενται απλές αναλυτικές σχέσεις που μπορούν να χρησιμοποιηθούν από το μελετητή στο σχεδιασμό ενός τεχνικά και περιβαλλοντ ι κά επιτυχούς συστήματος διάθεσης, όταν δεν υπάρχει η δυνατότητα χρήσης σύνθετων υπολογιστικών προγραμμάτων αρχικής αραίωσης και μεταφερόμενης διασποράς των λυμάτων. Στην πορεία της ανάπτυξης του συλλογισμού για ορθολογική διάθεση λυμάτων στη θάλασσα, διαπιστώθηκαν ορισμένα κενά στη ελληνική νομοθεσία περί προστασίας επιφανειακών αποδεκτών. Προτίνονται συγκεκριμένες ρυθμίσεις της νομοθεσίας που θα οδηγούσαν σε α ναβάθμιση τα παράκτια νερά. ΟΡΘΟΛΟΓΙΚΗ ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ θεωρητικός στόχος του ορθολογιστικού σχεδιασμού της διάθεσης λυμάτων στη θάλασσα είναι η ελάχιστη επιβάρυνση του θαλάσσιου περιβάλλοντος. Στην πράξη, ως στόχος τίθεται η μέγιστη περιβαλλοντικά αποδεκτή υποβάθμιση του θαλάσσιου περιβάλλοντος αφού ο μελετητής καλείτα ι με τον οικονομικότερο τρόπο να τηρήσει τα κριτήρια ποιότητας του αποδέκτη. Προϋπόθεση ενός ορθολογικού σχεδιασμού είναι συνεπώς η θέσπιση κριτηρίων ποιότητας νερών του αποδέκτη με τη μορφή απόλυτων ή στατιστικών ορίων συγκέντρωσης ρυπαντών. 251

2 Τα όρια θεσπίζονται υπό δύο μορφές : (α) Ορια που πρέπει να ικανοποιούνται αμέσως μετά τη διάθεση, και (β) όρια που πρέπει να ικανοποιούνται σε κάποιο συγκεκριμένο σημείο του αποδέκτη. Η θέσπιση ορίων αμέσως μετά τη διάθεση συνεπάγεται και τήρηση τωl,( ορίων σε οποιοδήποτε σημείο του αποδέκτη. Τα όρια που τίθεντα ι γ ια συγκεκριμένό σημείο του αποδέκτη αφορούν στην ειδική προστασία περιοχών, όπως μίας ακτής κολύμβησης ή μίας περιοχής οστρακοκαλλιέργε ιας. Κατά το σχεδιασμό ενός συστήματος διάθεσης λυμάτων, καθορίζεται ο κρ ί σιμος ρυπαντής για την αρχ~κή αραίωση S των λυμάτων από τη σχέση : (1) όπου Cλ είναι η συγκέντρωση του ρυπαντή στα λύματα και Ca το επιτρεπόμενο όριο διάθεσης για το συγκεκριμένο ρυπαντή. Η σχέση (1) πρέπει να ικανοποιηθε ί για οποιονδήποτε ρυπαντή, λ, που εμπεριέχεται στα προς διάθεση λύματα και υπάρχει θεσμοθετημένο όριο, α. Στην πράξη αυτό σημαίνει εκτίμηση της συγκέντρωσης στα λύματα ό ΝιJν των θεσμοθετημένων ρυπαντών ώστε να προσδιορισθεί ο κρίσιμος ρυπαντής από τη σχέση (1). Η απαίτηση της τήρησης του ορίου του κρίσιμου ρυπαντή είναι συνήθως απόλυτη, δηλαδή κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες το όριο πρέπει να τηρήται [3,6). Για την τήρηση του ορίου από το σύστημα διάθεσης η επέμβαση του μελετητή είναι καθοριστική. Κατά σειρά μειούμενης σημασίας, οι παρακάτω παράμετροι καθορίζουν το βαθμό αραίωσης των λυμάτων αμέσως μετά τη διάθεση : α. Βάθος διάθεσης. β. Πυκνότητα αποδέ κτη και λυμάτων. γ. Γεωμετρία του συστήματος διάθεσης. δ. θαλάσσια ρεύματα. Για κάθε βάθος διάθεσης είνα ι δυνατόν να επιλε)(θεί η βέλτιστη γεωμετρ ί α του συστήματος διάθεσης (πλήθος, διαστάσε ις, και αποστάσεις οπών του διαχuτήρα) λαμβάνοντος υπόψη τους περιβαλλοντ ικούς παράγοντες (πυκνότητα αποδέκτη, θαλάσσια ρεύματα) ώστε να επιτευ)(θεί η απαιτούμενη αραίωση του κρίσιμου ρυπαντή. Με αυτό τον τρόπο γίνεται η επιλογή του απα ιτούμενου βάθους διάθεσης που είναι ανάλογο με το κόστος του συστήματος διάθεσης. Αντίθετα, η τήρηση του ορίου σε ειδικό προστατευτέο σημείο του αποδέκτη μακριά από το σημείο διάθεσης εξαρτάται πρώτιστα από τα θαλάσσια ρεύματα. Η επέμβαση του μελετητή περιορίζεται στην επιλογή της θέσης και του βάθους διάθεσης ώστε μετά την αρχ~κή αραίωση των λυμάτων και την περαιτέρω αραίωσή τους λόγω διασποράς, η συγκέντρωση τους στο προστατευτέο σημείο να μην υπερβαίνει το απόλυτο ή στατιστικό όριο. Να σημειωθεί ότι η θέσπιση και στατιστικών ορίων σε απομακρυσμένα σημεία του αποδέκτη, σε αντίθεση με τη θέσπιση μόνον απόλυτων ορίων, απαιτεί ανάλογη μεθοδολογία εκτίμησης της συγκέντρωσης ρυπαντή σε σημείο του αποδέκτη μακριά από το σημείο δ ι άθεσης που βασίζεται στη στατιστική αποτίμηση περιβαλλοντικών παραγόντων (θαλασσίων ρευμάτων, ανέμων, πυκνότητας αποδέκτη). 252

3 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΑΡΧΙΚΗΣ ΑΡΑΙΩΣΗΣ Η συνήθης διάταξη ενός συστήματος διάθεσης αποτελείται από το φρεάτιο φόρτισης, τον αγωγό προσαγωγής και το διαχuτήρα με τους ανυψωτήρες. Οι τελευταίοι είναι απαραίτητοι για διαχuτήρες διαμέτρου μικρότερης του 1 m ώστε να αποφεύγεται η είσοδος φερτών υλών στον αγωγό. Σε διαχuτήρες μεγαλύτερης διαμέτρου τα λύματα διατίθενται από οπές στο τοίχωμα του διαχuτήρα. Τα λύματα που εξέρχονται από τα στόμια των ανυψωτήρων σχηματίζουν μ ί α αξονοσυμμετρική ροή προς την επιφάνεια της θάλασσας που χαρακτηρίζεται από μία αρ)(ική ροή ορμής Μ 0 και μία αρ)(ική ανωστική δύναμη Β 0 (διαιρεμένες με την πυκνότητα ρj: Β 0 = 0 0 g(ρ 5 -ρj / ρ 5 : αρ)(ική ανωστική δύναμη ανά μονάδα χρόνου : αρ)(ική ροή ορμής όπου Q 0 = πd2 u /4 η αρ)(ική ροή των λυμάτων που διατίθενται από οπή διαμέτρου D με ταχύτητα εξόδου u, ρ 6 η πυκνότητα του θαλάσσιου νερού και ρw η πυκνότητα των λυμάτων, όπου ρ 5 > ρw για οικιακά και συνήθη βιομηχανικά λύματα. Η ροή των λυμάτων αμέσως μετά την είσοδό τους στο θαλάσσ ιο νερό χαρακτηρίζετα ι ως φλέβα όταν η αρ)(ικές δυνάμεις αδράνειας υπερισχύουν της αρ)(ικής ανωστικής δύναμης και ως πλούμιο όταν συμβαίνει το αντίθετο. Σε ομογενή αποδέκτη κριτήριο είναι ο αριθμός R ίchardson : που πλησιάζει το Ο για φλέβα και το 1 για πλούμιο ενώ σε στρωματωμένο αποδέκτη το μονώνυμο Ν = Μο2 ε / 802 που είναι >4 για φλέβα και <4 για πλούμιο, όπου ε=g(δρ 5 /z)/ρ 5 είναι η βαθμίδα στρωμάτωσης του αποδέκτη και z το βάθος. Για τις συνήθεις τιμές παραμέτρων που χρησιμοποιούνται στο σχεδιασμό ενός υ ποθαλάσσ ιου αγωγού διάθεσης, τα λύματα συμπεριφέρονται ως ανωστικά πλούμ ια, δηλαδή ως φλέβες που εξελίσσονται γρήγορα σε πλούμια και ανεβαίνουν προς την επιφάνεια της θάλασσας. Το πλούμιο είτε θα φθάσει στην επιφάνεια της θάλασσας είτε, όταν η θάλασσα είναι ισχuρά στρωματωμένη, θα εξισορροπίσει σε κάποιο βάθος ("τερματικό ύψος " ), όπου η μέση πυκνότητα των αραιωμένων λυμάτων είναι ίση με την πυκνότητα του θαλάσσιου νερού στο ίδιο βάθος. Ως αρ)(ική αραίωση ορίζεται το κλάσμα της πυκνότητας των λυμάτων στον αγωγό διάθεσης προς τη μέση πυκνότητα του στρώματος των λυμάτων στο βάθος ισορροπ ί ας. Η φλέβα ή το πλούμιο που εξέρχεται από κυκλική οπή έχει αξονοσυμμετρική κατανομή ταχύτητας και συγκέντρωσης κατά Gauss: u(x,r) = um(x) e-a r /χ C(x,r) = Cm(x) e b r /χ 253

4 όπου a, b είναι εμπειρικοί συντελεστές, και είναι a=87, b=62 για τη φλέβα και a= 100, b=69 για το πλούμιο κατά Flsher et. al (4], ο δείκτης m συμβολίζει τιμές των μεγεθών στον άξονα του πλούμιου, η απόσταση χ μετράται κατά μήκος του άξονα της φλέβας και η απόσταση r κάθετα προς τον άξονα. Η ελά)(ιστη αρ)(ική αραίωση σε απόσταση χ από το σημείο διάθεσης, Sm(x), είναι ίση με : όπου C 0 είναι η συγκέντρωση του ρυπαντή στον αγωγό δ ιάθεσης. Η μέση αραίωση σε μία διατομή προκύπτει είτε από: s J.. u (χ, r) C(x, r) dx 1 ~=- ο =1.3 sm c/ij ι u(χ, r) dx για φλέβα κα ι πλούμιο είτε από : για φλέβα και πλούμιο Είναι η ~έση αραίωση Sμέση που πρέπει να ικανοποιεί τη σχέση (1) στο βάθος ισορροπίας των λυματων. Στις ελληνικές θάλασσες μπορεί να θεωρηθεί ότι τα νερά σε βάθη μι κρότερα των 20 m περίπου είναι το χειμώνα πλήρως αναμιγμένα και το καλοκαίρι γραμμικά στρωματωμένα. Για τις δύο αυτές περιπτώσεις υπάρχουν αναλυτικές σχέσεις για την ελά)(ιστη αρχική αραίωση. Για πλούμιο σε ομογενή αποδέκτη [7]: Sm = F (χ/0) 5 / 3 για F < 15 (2) για πλούμιο που διατίθεται κατακόρυφα, και: Sm = 0.54 F (0.38 H/ (D F) ) για H/ D > 0.5 F (3) Sm = 0.54 F9/16 (H/D) 7 /16 για H/D < 0.5 F για πλούμιο που διατίθεται οριζόντια [1]. Στις σχέσεις (2) και (3), F = u/ [gd(ρ 8 -ρj/ρw] είναι ο πυκνομετρικός αριθμός Froude του πλούμιου και Η το βάθος διάθεσης. Για πλού μιο που διατίθεται κατακόρυφα σε γραμμικά στρωματωμένο αποδέκτη [7]: (4) όπου το τερματικό ύψος των λυμάτών, zmax είναι : Zmax = 4.5 Βο 1/4 ε-3 /Β 254

5 Οι σ)(έσεις (2), (3) και (4) επαρκούν για τις συνήθεις περιπτώσεις υποθαλάσσιας διάθεσης λυμάτων στον ελληνικό χώρο που λαμβάνουν χώρα σε βάθη μικρότερα των 20 m. Για διάθεση σε μεγαλύτερο βάθος πρέπει να εξετάζεται η περίπτωση παγίδευσης του πλούμιου κάτω από το θε~μοκλινές εφόσον υπάρχει έντονη στρωμάτωση. Με τη χρήση του μονώνυμου Ν = Μ 0, ε /8 0 2 που χαρακτηρίζει τη συμπεριφορά του ανωστικού πλούμιου σε έντονα γραμμικά στρωματωμένη θαλάσσια στήλη το βάθος παγίδευσης και η μέση αραίωση μπορούν να υπολογισθούν από τις σ)(έσεις (4] : ζ = 1.7 Ν - 1 / 4 S Ν- 1 / 4 και μέση -. για Ν > > 1 (φλέβα) και (5) ζ = 1.7 Ν-3/ 8 και Sμέση = 1.5 Ν-5/ 8 για Ν < < 1 (πλούμιο) όπου ζ = 0.45 z / 2 / Μ 0 3 / 4 είναι το αδιάστατο και z το πραγματικό τερματικό ύψος από το σημείο διάθεσης. Οταν υπάρχει μη γραμμική στρωμάτωση, δηλαδή έντονο θερμοκλινές, ή για τάξη μεγέθους Ο(Ν) = 1, δεν υπάρχουν πλέον αναλυτικές σ)(έσεις και γίνεται χρήση μαθηματικών μοντέλων [8]. Ο υπολογισμός της αρχικής αραίωσης που αναπτύχ9ηκε παραπάνω αφορά σε αξονοσυμμετρικές ροές λυμάτων που εξέρχονται σε ακίνητο αποδέκτη. Αξονοσυμμετρικές ροές δημιουργούντα ι από διαδοχικά στόμια διάθεσης που βρίσκονται κατά μήκος ενός αγωγού-διαχυτήρα. Μέσω των δημιουργούμενων στροβιλισμών, κάθε πλούμιο προσλαμβάνει θαλάσσιο νερό από την περιφέρεια της κυκλικής διατομής για αραίωση. Είναι όμως δυνατόν να επέλθει παρεμπόδιση της αραίωσης, αλληλοκάλυψη των διαδοχικών αξονοσυμμετρικών πλουμίων και τελική δημιουργία γραμμικού πλούμιου πριν από το τερματικό ύψος αν η απόσταση μεταξύ των διαδοχικών στομίων διάθεσης είναι μικρή. Στην περίπτωση που τα πλούμια εξέρχονται στην επιφάνεια, η αλληλοκάλυψή τους ελαχιστοποιείται αν τα διαδοχικά στόμια τοποθετηθούν σε απόσταση Η/3. Μετά από απόσταση Η, σε διατομή πλούμιου ακτίνας Η/6 βρίσκεται το 94% της μάζας του ρυπαντή, όπως φαίνεται από τη σ)(έση : Ηι -6 ~ C ( ϊ e Ha di Η/6 = 0 =erf(4/3) =Ο. 94 V r 3 t r -6 2 CmJo e Η dr V: mjι όπου eή(χ) ε ίναι η συνάρτηση αφάλματος. Είναι φανερό πως σε περίπτωση παγίδευσης των λυ μάτων κάτω από την επιφάνεια, η απόσταση Η /6 μεταξύ των στομίων εξασφαλίζει την ανεξάρτητη άνοδο των πλουμίων ως το τερματικό ύψος. Για μικρά βάθη διάθεσης η τοποθέτηση των στομίων διάθεσης ανά Η/3 δεν είναι οικονομικά αποτρεπτική. Αν όμως διαπιστωθεί η δημιουργία γραμμικής ανωστικής δέσμης, το τερματικό ύψος zmax και η αρχική ελάχιστη αραίωση μπορεί να υπολογισθούν από [7]): 255

6 για πλούμιο (Μ0 ε 1 2 < ) zmax = 3.6 Βσ1/3/ε1/2 Sm= 0.95 Βο2/3 /( ε1/2 Οο) (6) και για φλέβα (Μ0 ε > 5 Βο) zmax = 2,3 (Μ 0 /ε) 1 1 3, Sm = 0,70 Μ /(ε Οο) Τα θαλάσσια ρεύματα δεν πρέπει να λαμβάνονται υπόψη στον υπολογισμό της αρχικής αραίωσης για βάθη διάθεσης μικρότερα των 20 m, όπου δηλαδή ο αποδέκτης είναι είτε ομογενής είτε έχει μικρή γραμμική στρωμάτωση διότι επαυξάνουν την αρχική αραίωση και οδηγούν σε ευμενέστερες καταστάσεις. Αντίθετα, τα θαλάσσια ρεύματα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη στους υπολογισμούς αρχικής αραίωσης όταν η διάθεση γίνεται σε βαθύτερα νερά και έντονα στρωματωμένους αποδέκτες. Στην περίπτωση αιjτή είναι δυνατόν το θαλάσσιο ρεύμα να συντελέσει στην παγίδευση του ανωστικού πλούμιου (ιδιαίτερα αν η αρχικές δυνάμεις αδρανείας είναι πολύ μικρές) κάτω από το θερμοκλινές με συνέπεια τη μείωση της αρχικής αραίωσης. ΠΕΡΑΙΤΕΡΩ ΑΡΑΙΩΣΗ ΤΩΝ ΛΥΜΑΤΩΝ Στο πέρας της αρχικής αραίωσης τα λύματα δημιουργούν ένα πλούμιο πλάτους b και πάχους d, που στην περίπτωση που τα λύματα εξέλθουν στην επιφάνεια είναι περίπου d = Η/6 ως Η/12. Μετά την αρχική αραίωση τα λύματα μεταφέρονται με τα θαλάσσια ρεύματα. Η χρονικ ή και χωρική μεταβλητότητα των ρευμάτων προκαλούν διασπορά των λυμάτων που εκφράζεται με τους συντελεστές κατακόρυφης και οριζόντιας διάχυσης. Η κατακόρυφη διάχυση είναι σημαντική μόνον όταν τα λύματα σχηματίσουν επιφανειακό στρώμα (ή στρώμα κοντά στην επιφάνεια) οπότε ο άνεμος δημιουργεί έντονες κατακόρυφες μεταβολές στο πεδίο ταχυτήτων. Ο συντελεστής κατακόρυφης διάχυσης ~ υπολογί ζεται προσεγγιστικά από : ~ = 0,1 u. Η όπου u. = (τ/ρ) 1 2 και τ/ρ=10.f'j νν 2 είναι η διατμητική τάση που προκαλείται λόγω ανέμου ταχύτητας W. Ο χρόνος που απαιτείται για την κατακόρυφη διάχυση των λυμάτων σε βάθος Η είναι: Ο υπολογισμός της κατακόρυφης διάχυσης πρέπει να λαμβάνει υπόψη την ύπαρξη ορίων που είναι ο πυθμένας αλλά και το θερμοκλινές ώστε οι παραπάνω προσεγγιστικές σχέσεις να μην οδηγούν σε παράλογα αποτελέσματα. Ο συντελεστής οριζόντιας διάχυσης ~ μπορεί να προσεγγισθεί από (εφόσον δεν υπάρχουν στοιχεία πεδίου) : ~ = 0.01 b 4 / 3 όπου b είναι το πλάτος του πλούμιου αμέσως μετά την αρχική αραίωση. Η ελάχιστη 256

7 αραίωση σε απόσταση χ από το σημείο διάθεσης όταν τα λύματα μεταφέρονται από ρεύμα σταθερής ταχύτητας u δίδεται από (4]: = e kx/u erf{ (1.5/((1 +Ο.66 β x/b) 3-1)] } (7) και το πλάτος του πλούμιου : L/ b = (1 + (2/ 3) β x/ b) 3 / 2 όπου β = 12Kh / (u b). Για πλούμ ιο που κινείται παράλληλα μ ε τις ακτές και για πλάτος b < 1000 m είναι προτιμότερο να θεωρείται ο συντελεστής οριζόντιας διάχυσης σταθερός (4], οπότε η αραίωση είναι: sm = e kx/ u erf{ (3/(4 β x/b)] 2 } (8) Ο υπολογισμός της αραίωσης λόγω μεταφερόμενης διασποράς είναι πολύ προσεγγιστικός διότι λαμβάνει μόνον έμ μεσα και κατά γενικό τρόπο (με το συντελεστή διάχυσης) υπόψη τη χρονική και χωρική μεταβλητότητα των θαλάσσιων ρευμάτων. Αλλά είναι και συντηρητικός διότι θεωρεί ότι το θαλάσσιο ρεύμα σταθερής ταχύτητας u διαρκεί τουλάχιστον όσο χρόνο απαιτείται για να μεταφερθούν τα λύματα από το σημείο διάθεσης στο ευαίσθητο σημείο του αποδέκτη. Στην πραγματικότητα, τα θαλάσσια ρεύματα μεταβάλλονται χρονικά και χωρικά με αποτέλεσμα ο αποδέκτης να είναι διάσπαρτος από "νέφη " λυμάτων διαφόρων συγκεντρώσεων [2], που όμως σπάνια υπερβαίνουν τη συγκέντρωση που αντιστοιχεί στην αραίωση που υπολογίζεται από τις σχέσεις (7) και (8). Ακριβέστερος υπολογισμός μπορεί να γίνει με μαθηματικά ομοιώματα παράκτιας κυκλοφορίας και μεταφοράς ρυπαντών [2,5]. Πρόσθετο πρόβλημα κατά τη συνεχή διάθεση λυμάτων είναι η αραίωση των λυμάτων με νερό που έχει ήδη ρυπανθεί από λύματα που διατέθηκαν σε προηγούμενη χρονική στιγμή και παραμένουν κοντά στο σημείο διάθεσης, ή έχουν απομακρυνθεί και επανήλθαν κοντά στο σημείο διάθεσης λόγω μεταβολής της κατεύθυνσης των ρευμάτων. Η μειωμένη αραίωση που π ροκύπτει είναι δυνατόν να υπολογισθεί με μαθηματικό μοντέλο (2] που συνδιάζει τη συμπεριφορά των λυμάτων στον κοντινό πεδίο (αρχική αραίωση) και στο απομακρυσμένο πεδίο. Η ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΝΟΜΟΘΕΣΙΑ Στην ελληνική νομοθεσία (βλέπε, η.χ. [6]) έχει επικρατήσει η θέσπιση κριτηρίων διάθεσης ρυπαντών με τη μορφή απόλυτης συγκέντρωσης του ρυπαντή στα προς διάθεση λύματα. Για παράδειγμα, η Νομαρχία Θεσσαλονίκης απαγορεύει τη διάθεση λυμάτων σε τμήμα του Θερμαϊκού Κόλπου όταν η συγκέντρωση του BOD 5 υπερβαίνει τα 50 mg/i. Τέτοιας μορφής όρια ρυπαντών μπορεί να προκαλέσουν αντίθετα αποτελέσματα από τις επιδιώξεις του νομοθέτη αφού επιτρέπουν, για παράδειγμα, την απόρριψη επ εξεργασμένων χλωριωμένων λυμάτων με < 50 mg/1 ακόμη και από την παραλία (γίνεται εδώ η υπόθεση ότι το BOD είνα ι ο κρίσιμος ρυπαντής όπως ορίσθηκε από τη σχέση (1)). Στην περίπτωση όμως αυτή η περα ι τέρω αραίωση λυμάτων με μηδαμινή αρχική αραίωση θα ε ίναι αργή, ιδιαίτερα κοντά στις ακτές, με αποτέλεσμα τα θαλάσσια νερά κοντά στο σημείο διάθεσης να έχουν συγκέντρωση BOD 5 μόλις μεγαλύτερη από την αντίστοιχη συγκέντρωση στην έξοδο από τις εγκαταστάσεις επεξεργασίας. 257

8 Προτείνεται ως ορθότερη η θέσπιση κριτηρίων διάθεσης με τη μορφή μέγιστης επιτρε πόμενης συγκέντρωσης του ρυπαντή στο πέρας της φάσης της αρχι κής αραίωσης. Ετσι συνδέεται η λειτουργία του συστήματος επεξεργασίας με το σύστημα διάθεσης και επιτυγχάνεται η πλήρωση των ποιοτικών ορίων του αποδέκτη με τον οικονομικότερο τρόπο. ΣΥΝΟΨΗ Στο άρθρο επιχειρήθηκε μία ολοκληρωμένη παρουσίαση της μορφοποίησης ενός συστήματος υποθαλάσσιας διάθεσης λυμάτων προσαρμοσμένη στις ελληνικές συνθήκες. Παρουσιάσθηκαν απλές αναλυτικές σχέσεις υπολογισμού της αρ)(1κής αραίωσης και της μεταφερόμενης διασποράς των λυμάτων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν όταν δεν υπάρχει η δυνατότητα χρήσης εξειδικεύμενων μαθηματικών μοντέλων. Η μεθολογία που παρουσιάσθηκε είναι ι κανοποιητική για υποθαλάσσ ι α συστήματα διάθεσης λυμάτων που αφορούν σε μερικές χιλιάδε ς κατοίκους, όπως για παράδειγμα, κοινότητες, ξενοδοχιακά συγκροτήματα. Για μεγαλύτερες εγκαταστάσεις, που συνεπάγονται εκτένεστερη επέμβαση στο περιβάλλον, αλλά και όταν το προστατευτέο οικοσύστημα είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα, απαιτείται η χρήση εξειδικευμένων μαθηματικών ομοιωμάτων ώστε να μειώνεται η πιθανότητα αστοχίας. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Abraham, G, "Jet dίffusion in stagnant ambient fluid", Delft Hydraulics Laboratory, 1963, Publ Bogle, G,V, Valίoulίs, Ι.Α., and Meίorin L., Estimatίon of far-field dί l ution of coastal dίscharges, ASCE J. of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering, to appear ίn January/Febryary, California Ocean Plan, Water Control Plan, Ocean Waters of Ca lίfor nia, State of Calίfornίa Water Resources Control Board, March 22, 1990, pp Fίsher, Η.8., List, E.J., Koh, R.C.Y, lmberger, J., Brooks, Ν., 1979, Mixing in lnland and Coastal Waters, Academic Press, New York. 5. Kίng, Ι.Ρ., 1988, Program Documentatίon, RMA2 - Α Two-Dimensίonal Finίte Element Model for Flow ίn Estuaries and Streams, Version 4.2, RMA, Lafayette, Calίfornia. 6. Κοινή Υπουργική Απόφαση 46399/1352)89, Εφημερίς της Κυβερνήσεως, Αρ. 438, 3 Ιουλίου 1986, σελ Kotsoνinos, Ν. "Δ ιάθεση υγρών αποβλήτων στην θάλασσα", Πρόγραμμα COMETT, Εργ. Υδραυλικής Α.Π.Θ., 21 Μαρτίου U.S. Enνίronmental Protection Agency (ΕΡΑ) Report Ρ , U.S. ΕΡΑ, Newport, Oregon,

9 ENVIRONMENTAL JSSUES ΙΝ Α RATIONAL DESJGN OF ΑΝ OUTFALL lntroduction Ι.Α. Valioulis and Υ.Ν. Κrestenitis Department of Hydraulics and Environmental Engineering Aristotle University of Thessaloniki Summary The intend of the paper is to present a summary of simple analytical expressions for the environmental design of medium size sewage outfalls in Greece. The work is directed toward the designer of a small or medium size system who has no access to complex computer programs, or is limited because of budget constraints. Rational approach lt is necessary for the designer to determine first the critical pollutant, defined from: where s is the dilution, cλ is the concentration of the pollutant in the outfall pipe and cα the maximum allowable concentration in the waters. The environmental design of the outfall need to satisfy Eq. (1). Typically, discharge limits are set for the initial dilution that is, immediately after the discharge, and at remote Ιocations of special protection such bathing waters, shellfish farms, etc. lnitial dilution ln most cases the discharge behaves like a plume, that is, the buoyancy force exceeds the initial momentum flux and hence determines the height of rise and dilution. Ιn homogeneous waters criterion for the behaviour of the discharge is the Richardson number R = Οσ Βσ1 /2; Μσ1 /4 which approaches Ο for a jet and 1 for a plume, while in stratified waters criterion is the non-dimensional number 2 / 2 Ν = Μ 0 ε Β 0 which exceeds 4 for jets is less than 4 for plumes. ln the above expressions, Μ 0 is the initial momentum flux, 8 0 is the initial buoyancy flux (divided by the density of the discharge, Pw) 0 0 is the volume flux) defined from: Βσ = Οσ g(ρ 5 -ρw)/ρ 5, Μ 0 = 0 0 u, 0 0 =n02 u / 4 and ε=g(δρ 5 /z)/ρ 5 characterizes the degree of stratification, Ο is the diameter ofthe round opening, u is the initial velocity όf the discharge, ρ 5 is the density of the water and Pw is the density of the discharge. {1) 259

10 ln the greek waters, and for discharges in depths less than about 20 m, it is safe to state that waters are homogeneous or weakly linearly stratified. For these two cases there are simple analytical expressions for the initial dilution of plumes: Sm = F (χ/0) when F < 15 (2) for a ver1ically discharged plume, and: Sm = 0.54 F (0.38 H/ (D F) ) 5 / 3 Sm = 0.54 F9/16 (Η / Ο) 7 / 16 when Η/Ο > 0.5 F (3) when H/D < 0.5 F for a horizontally discharged plume [1), where F = u/ [gd(ρ5 -Pw)/pwJ is the densimetric Froude number and Η is the discharge depth. For a plume in a linearly stratified environment [7]: Sm = 0.80 Βο 3/4 ε-5/ (4) and the terminal height of rise zmax is: Zmax = 4.5 Βο 1/ 4 ε 3 /8 Το prevent adjacent plumes from merging, it is recommended to design the por1s at distances greater than Η /6 where Η is the depth of the ροή. FAR-FIELD DILUTION Computer programs of transpor1 and dispersion of pollutants are available (2,8] for the calculation of dilution far from the discharge location. For a first estimate, the horizontal dispersion can be calculated from [4]: Sm = e kx/u eή{ [1.5/((1 +Ο.66 β x/b) 3-1)] } (5) and the width ι of the plume at distance χ: L/b = (1 + (2/3) β χ/b) 3 / 2 where β = 12Kh / (u b). SUMMARY The simple expressions for pollutant dilutions presented here are adequate for small and medium size outfall systems. For large systems, or for discharges in environmentally sensitive areas, the design must be peήormed using available computer programs that account more thoroughly for the complex phenomena of traspor1 and dispersion in coastal waters. 260