Προσοµοίωση της Κατανοµής Τοξικών στο Θερµαϊκό Κόλπο

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Προσοµοίωση της Κατανοµής Τοξικών στο Θερµαϊκό Κόλπο"

Δαίμων Δουμπιώτης
7 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Ολοκληρωµένη ιαχείριση Υδατικών Πόρων 353 Προσοµοίωση της Κατανοµής Τοξικών στο Θερµαϊκό Κόλπο H. MΠΙΜΠΑΣ Χ. ΚΟΪΝΑΚΗΣ ρ. Πολιτικός Μηχανικός ρ. Πολιτικός Μηχανικός Περίληψη Για τον υπολογισµό της κατανοµής της συγκέντρωσης τοξικών ουσιών όπως τα εντοµοκτόνα, τα PCBs (Πολυχλωριωµένα διφαινύλια) και οι πολυκυκλικοί αρωµατικοί υδρογονάνθρακες, εφαρµόζεται ένα δισδιάστατο µοντέλο πεπερασµένων στοιχείων που προσοµοιώνει αριθµητικά την εξίσωση µεταφερόµενης διασποράς στο Θερµαϊκό Κόλπο. Το µοντέλο περιλαµβάνει τη µεταφορά και διασπορά των τοξικών ουσιών αλλά και φυσικοχηµικές διεργασίες όπως προσρόφηση, φωτόλυση, καθίζηση και εξαέρωση. Η µορφή του πεδίου ταχυτήτων στον Κόλπο για διάφορες διευθύνσεις ανέµου υπολογίσηκε από την αριθµητική επίλυση των εξισώσεων ανεµογενούς κυκλοφορίας µε τη µέθοδο των πεπερασµένων στοιχείων. Οι τιµές της συγκέντρωσης των τοξικών ουσιών παρουσιάζονται σε σχετικά διαγράµµατα. Abstrat To desribe te distribution of te toxi substitutes lie pestiides, PCBs (Polylorinated bipenyls) and PAH (Polyyli aromati ydroarbons) in te Gulf of Tessalonii loated in Nortern Greee, a two dimensional finite element model was employed for te numerial simulation of te advetion-diffusion equation. Te model ontains exept te transport and diffusion of te toxi substanes, pysial and emial meanisms, lie sorption, potolysis, sedimentation and volatilization. Te veloity distributions in te Gulf for various wind diretions were obtained from te numerial solution of a wind-indued irulation model, using te finite element tenique. Te onentration distributions of te toxis substanes are presented in relevant diagrams. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο Θερµαϊκός Κόλπος είναι µια παράκτια περιοχή µε σηµαντικά προβλήµατα ρύπανσης. Βασικές πηγές ρύπανσης του θαλάσσιου περιβάλλοντος είναι η πόλη µε το 1 εκατοµµύριο κατοίκους, οι δύο ποταµοί Αλιάκµονας και Αξιός, οι χείµαρροι καθώς και τα αντλιοστάσια που αποστραγγίζουν τα νερά από τις καλλιέργειες στη θάλασσα. Ανάµεσα στους διάφορους ρύπους που εισέρχονται στον Θερµαϊκό, οι τοξικές ουσίες, που περιέχονται στα υγρά βιοµηχανικά απόβλητα, στα νερά των ποταµών και στα στραγγίσµατα των αγροτικών καλλιεργειών, είναι ρύποι µε ιδιαίτερη σηµασία εξαιτίας της µεγάλης τοξικότητα τους. Για να αντιµετωπιστούν τα σοβαρά προβλήµατα της ρύπανσης είναι απαραίτητη η γνώση της κατανοµής της συγκέντρωσης των ρύπων κάτω από διαφορετικές συνθήκες. Τα αριθµητικά µοντέλα συνιστούν ένα ισχυρό εργαλείο ακριβούς πρόγνωσης των ρυπαντικών φορτίων για διάφορες κλιµατολογικές συνθήκες. Στην εργασία αυτή παρουσιάζεται ένα µοντέλο θαλάσσιας ρύπανσης που βασίζεται στις εξισώσεις µεταφερόµενης διασποράς των ρύπων. Το µοντέλο περιλαµβάνει τέσσερις διαφορετικές τοξικές ουσίες: Εντοµοκτόνα (DDT, Dieldrin), Πολυχλωριωµένα διφαινύλια (PCB- Arolor 160), και τους αρωµατικούς υδρογονάνθρακες (PAH- Metylantraene). Για την αριθµητική επίλυση των εξισώσεων µεταφερόµενης διασποράς των παραπάνω ρύπων χρησιµοποιήθηκε η µέθοδος των πεπερασµένων στοιχείων. Το µοντέλο εφαρµόστηκε για την µελέτη της ρύπανσης από τοξικά στο Θερµαϊκό Κόλπο, µε πεδίο ταχυτήτων που προέκυψε από την επίλυση ενός υδροδυναµικού µοντέλου ανεµογενούς κυκλοφορίας.. ΤΟ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ Ένα µαθηµατικό µοντέλο ποιότητας νερών αποτελείται από ένα σύστηµα διαφορικών εξισώσεων που προσοµοιώνουν την µεταφορά και τη διασπορά διαφόρων ρύπων σε ποταµούς, λίµνες ή θάλασσες. Στο µοντέλο που παρουσιάζεται εδώ το σύστηµα των εξισώσεων που περιγράφει το ρυθµό µεταβολής της συγκέντρωσης διαφορετικών τοξικών ουσιών εξαιτίας φυσικοχηµικών διεργασιών, σε διαλυµένη µορφή στο νερό (µε δείκτη 1), και στον πυθµένα (µε δείκτη ), έχει τη µορφή [1]: t v 1 + U F v + vs F v d 1 + V r p v + = D d x p 1 ( F F ) d + D y 1 d (1)

2 354 Ποιότητα, ιαχείριση και Αποκατάσταση Λιµνών και Παράκτιων Υδατικών Οικοσυστηµάτων t v + d ( F F ) d d + U + V = Dx + D y vs F v v p r b + Οι επεξήγηση των παραµέτρων των παραπάνω εξισώσεων δίνονται στον Πίνακα 1 που ακολουθεί. Πίνακας 1: Περιγραφή των παραµέτρων του µοντέλου Σύµβολο Μονάδα Περιγραφή Συγκέντρωση του 1 ng/l Ρύπου στο νερό Συγκέντρωση του ng/gr ρύπου στον πυθµένα U m/s Ταχύτητα κατά τον x-άξονα V m/s Ταχύτητα κατά τον y-άξονα D x m /s Συντ. διασποράς κατά τον x-άξονα D y m /s Συντ. διασποράς κατά τον y-άξονα v v m/s Ταχύτητα εξαέρωσης v s m/s Ταχύτητα καθίζησης Συντ. µεταφοράς µάζας v d m/s µεταξύ νερού-πυθµένα Ταχύτητα v r m/s επαναιώρησης v b m/s Ταχύτητα θαψίµατος p s -1 Ρυθµός φωτόλυσης 1, s -1 Συντ. αποικοδόµησης Ποσοστό ουσίας σε F p - στερεά µορφή Ποσοστό ουσίας σε F - d υγρή µορφή m Βάθος ροής Οι τιµές τών παραπάνω παραµέτρων [] δίνονται στον Πίνακα. Για την επίλυση των εξ. (1) και () µεταφερόµενης διασποράς εφαρµόστηκε η µέθοδος των πεπερασµένων στοιχείων. Για την µείωση του σφάλµατος της αριθµητικής διασποράς χρησιµοποιήθηκε ένα σχήµα arateristi-galerin [3]. 3. ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΤΟ ΘΕΡΜΑΪΚΟ ΚΟΛΠΟ Οι κύριες πηγές ρύπανσης, που εισάγονται στο µοντέλο, βρίσκονται στην πόλη της Θεσσαλονίκης, στις εκβολές των ποταµών Αλιάκµονα, Αξιού, Γαλλικού και Λουδία και στα αντλιοστάσια Χαλάστρας, Μαλγάρων και Κλειδιού που αποστραγγίζουν τα γεωργικά νερά, όπως φαίνεται στο Σχήµα 1. () Πίνακας : Τιµές των παραµέτρων του µοντέλου Σύµβολο DDT Dieldrin PCB PAH D x D y v v 1 x x x x 10-6 v s 3 x x x x 10-6 v d 4 x x x x 10-7 v r 3 x x x x 10-7 v b 3 x x x x 10-7 p 1 x x x x 10-7 x x x x F p F d F d 1 x 10-6 x 10-6 x 10-6 x x x x x 10-6 Τα πεδία ταχυτήτων λόγω ανέµου, για την βόρεια και τη νότια διεύθυνση, υπολογίστηκαν από την επίλυση, µε τη µέθοδο των πεπερασµένων στοιχείων, των ολοκληρωµένων κατά το βάθος εξισώσεων Navier- Stoes [4]. Οι τιµές των ρυπαντικών φορτίων των πηγών [5] δίνονται στον Πίνακα 3: Πίνακας 3: Τιµές των ρυπαντικών φορτίων των πηγών Θέση Πηγής DDT Dieldrin PCB PAH (ng/l) (ng/l) (ng/l) (ng/l) Θεσσαλονίκη Θεσσαλονίκη ενδροπόταµος Γαλλικός Αντλ. Χαλάστρας Αξιός Μάλγαρα Λουδίας Αντλ. Κλειδιού Αλιάκµονας ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Ο υπολογισµός της συγκέντρωσης των ρύπων, σε κάθε πεδίο ταχυτήτων για τις δύο διευθύνσεις ανέµου, συνεχίζονταν µέχρι την µονιµοποίηση των τιµών των ρύπων. Ο χρόνος που χρειάστηκε για αυτό ήταν περίπου τέσσερις µέρες. Από το µεγάλο αριθµό αποτελεσµάτων παρουσιάζονται στα παρακάτω διαγράµµατα χαρακτηριστικές περιπτώσεις συγκέντρωσης των ρύπων στο νερό και στον πυθµένα. Η συγκέντρωση του Dieldrin και του PAH για Βόρειο άνεµο παρουσιάζονται στα Σχήµατα και 3, ενώ η συγκέντρωση του DDT για Νότιο άνεµο δίνεται στο Σχήµα 4. Στο Σχήµα 5 παρουσιάζεται η συγκέντρωση του PCB στον πυθµένα για Νότιο άνεµο. Τα σχήµατα αυτά δείχνουν ότι η συγκέντρωση των τοξικών µεγαλώνει στο δυτικό τµήµα του κόλπου, ενώ µικραίνει σηµαντικά έξω από την περιοχή του όρµου.

3 Ολοκληρωµένη ιαχείριση Υδατικών Πόρων 355 Σχήµα 1: Ο κάναβος πεπερασµένων στοιχείων στο βόρειο τµήµα του Θερµαϊκού Κόλπου και οι θέσεις των ρυπαντικών πηγών Από την µελέτη των αποτελεσµάτων παρατηρούµε ότι η επίδραση της ανεµογενούς κυκλοφορίας δεν είναι ιδιαίτερα σηµαντική ιδιαίτερα στον όρµο της Θεσσαλονίκης, επειδή οι ταχύτητες στο νερό είναι πολύ µικρές και ο µηχανισµός της διασποράς των τοξικών επικρατεί αυτού της µεταφοράς. 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η εξέλιξη της συγκέντρωσης τεσσάρων στον Κόλπο της Θεσσαλονίκης υπολογίστηκε µε την χρήση ενός υδρο-οικολογικού µοντέλου µε τη µέθοδο των πεπερασµένων στοιχείων. Από την εξέταση των αποτελεσµάτων πιστοποιείται η σηµαντική επίδραση των συντελεστών, των φορτίων των πηγών και των κλιµατικών συνθηκών στην κατανοµή της συγκέντρωσης των τοξικών στον Κόλπο τόσο στο νερό όσο και στον πυθµένα. Το µοντέλο αποτελεί ένα ισχυρό εργαλείο για την πρόβλεψη της πολύπλοκης συµπεριφοράς και των αλληλεπιδράσεων των τοξικών στο θαλάσσιο περιβάλλον κάτω από διαφορετικές συνθήκες. Οι µέγιστες τιµές των συγκεντρώσεων των τοξικών παρουσιάζονται στον όρµο της Θεσσαλονίκης όπου είναι συγκεντρωµένες οι περισσότερες ανθρώπινες δραστηριότητες. Όµως οι τιµές αυτές αν και υψηλές είναι κατώτερες από τις µέγιστες αποδεκτές τιµές. Οι προγνώσεις του υδρο-οικολογικού µοντέλου είναι ιδιαίτερα χρήσιµες στην προσπάθεια αντιµετώπισης του προβλήµατος της ρύπανσης στον Θερµαϊκό Κόλπο και ιδιαίτερα στον όρµο της Θεσσαλονίκης 6. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Sapra, S.C. (1997) Surfae water quality modeling, MGraw Hill.. Tomann R.V and J. Mueller (1987) Priniples of surfae water quality modelling and ontrol, Harper Collins Publisers 3. Mpimpas H., P. Anagnostopoulos and J. Ganoulis (1998) Comparison of tree numerial semes for te solution of te advetion-dispersion equation, In Pro. of 5t National Congress of Meanis, Ioannina, Greee. 4. Anagnostopoulos, P. and H. Mpimpas (1995) Finite element solution of wind-indued irulation and pollutant dispersion in te Termaios Gulf, Int. Conf. Computer Modeling of Seas and Coastal Regions, Canun, Mexio. 5. Ministry of Housing, Pysial Planning and te Environment of te Neterlands (1994) Water quality Management of Semienlosed bays in Greee. Case study for te Gulf of Termaios.

4 356 Ποιότητα, ιαχείριση και Αποκατάσταση Λιµνών και Παράκτιων Υδατικών Οικοσυστηµάτων Σχήµα : Κατανοµή της συγκέντρωσης του Dieldrin στο νερό για Βόρειο άνεµο Σχήµα 3: Κατανοµή της συγκέντρωσης του PAH στο νερό για Βόρειο άνεµο

5 Ολοκληρωµένη ιαχείριση Υδατικών Πόρων 357 Σχήµα 4: Κατανοµή της συγκέντρωσης του DDT στο νερό για Νότιο άνεµο Σχήµα 5: Κατανοµή της συγκέντρωσης του PCB στο πυθµένα για Νότιο άνεµο

6 358 Ποιότητα, ιαχείριση και Αποκατάσταση Λιµνών και Παράκτιων Υδατικών Οικοσυστηµάτων Η. Μπίµπας, ρ. Πολιτικός Μηχανικός, Υ ΡΟΑΚΤΟΤΕΧΝΙΚΗ, Εθν. Αντίστασης 3 Α, Θεσσαλονίκη 55134, τηλ.: , E- mail: ydromar@otenet.gr. Χ. Κοϊνάκης, ρ. Πολιτικός Μηχανικός, Εργαστήριο Οικοδοµικής και οµικής Φυσικής, Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης, 54006, τηλ.: , riso@ivil.aut.gr.

Σχετικά έγγραφα

MODELING OF HEAVY METALS DISTRIBUTION IN THE THERMAIKOS GULF

MODELING OF HEAVY METALS DISTRIBUTION IN THE THERMAIKOS GULF H. Mpimpas, P. Anagnostopoulos and J. Ganoulis Department of Ciil Engineering Diision of Hydraulics and Enironmental Engineering Aristotle Uniersity