Προσοµοίωση Ποιότητας Επιφανειακής Απορροής Αστικής Περιοχής Πόλης Ορεστιάδας

Ολοκληρωµένη ιαχείριση Υδατικών Πόρων 201 Προσοµοίωση Ποιότητας Επιφανειακής Απορροής Αστικής Περιοχής Πόλης Ορεστιάδας Α. ΚΑΦΕΤΖΗΣ Π.Β. ΑΓΓΕΛΙ ΗΣ Ν.Ε. ΚΩΤΣΟΒΙΝΟΣ MSc. Πολιτικός Μηχανικός Λέκτορας.Π.Θ. Καθηγητής.Π.Θ. Περίληψη Στην εργασία αυτή γίνεται προσοµοίωση της ποιότητας της ε- πιφανειακής απορροής της αστικής περιοχής της πόλης της Ορεστιάδας µε τη χρήση ενός από τα καλύτερα και πλέον δηµοφιλή µοντέλα του PCSWMM 2002 GIS. Το µοντέλο αυτό περιλαµβάνει τον κώδικα του SWMM της USEPA, και ενσωµατώνει επίσης µια σειρά από νέες δυνατότητες, όπως της εισαγωγής πληροφοριών σε γεωγραφική βάση δεδοµένων GIS. Το παραπάνω µοντέλο ε- φαρµόσθηκε στην πόλη της Ορεστιάδας, της οποίας το δίκτυο των οµβρίων και οι λοιπές χωρικές πληροφορίες «ψηφιοποιήθηκαν» µε τη χρήση κατάλληλων εργαλείων του µοντέλου και εισήχθηκαν σε γεωγραφική βάση πληροφοριών, που δηµιουργήθηκε γιa τον σκοπό αυτό. Ως αποτελέσµατα της προσοµοίωσης παρήχθησαν υδρογραφήµατα και «ρυπαρογραφήµατα» στην έξοδο του δικτύου οµβρίων. Για λόγους ελέγχου έγιναν δειγµατοληπτικές µετρήσεις ρύπων τόσο στη βροχόπτωση όσο και στην απορροή στην έξοδο του δικτύου οµβρίων, οι οποίες συγκρίθηκαν µε τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης. Abstract Non point source pollution modelling is applied to the urban area of the town of Orestiada. The USEPA Storm Water Management Model (SWMM) engine is nowadays one of the most powerful and flexible software available in this sector and here it is implemented using the shell of PCSWMM 2002, which supports GIS capabilities. PCSWMM 2002 is a product of the University of Guelph (Ontario, Canada) and of the Computational Hydraulics International company (CHI). Field quality data were collected, in order to be compared with model predictions. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Μεγάλη προσοχή έχει δοθεί τα τελευταία τριάντα χρόνια σε προβλήµατα σηµειακών πηγών ρύπανσης και στις επιπτώσεις τους στους υδάτινους αποδέκτες. Λίγη σηµασία έχει δοθεί σε προβλήµατα µη σηµειακών πηγών ρύπανσης παρά το γεγονός, ότι η απορροή είναι συνήθως ο πιο καθοριστικός παράγοντας για την ποιότητα των υ- δάτινων αποδεκτών. Στις ΗΠΑ, στην Ευρώπη και σε άλλες χώρες, µε νοµοθετικές πράξεις επιβλήθηκαν κανονισµοί, οι οποίοι στα µέσα της δεκαετίας του 1980 οδήγησαν σε σηµαντική µείωση της ρύπανσης από σηµειακές πηγές. Ως εκ τούτου η ρύπανση από µη σηµειακές πηγές αναδείχθηκε ως η κύρια αιτία της υποβάθµισης της ποιότητας των υδάτινων αποδεκτών. Η σπουδαιότητα των µη σηµειακών ρυπαντικών φορτίων, οι εγγενείς δυσκολίες προσοµοίωσης καθώς και οι σοβαρές επιπτώσεις στην ποιότητα των υδάτινων αποδεκτών, έχουν οδηγήσει στην ανάπτυξη διαφόρων µοντέλων προσοµοίωσης [1,2]. Αρκετές δυνατότητες διατίθενται για την προσοµοίωση της ποιότητας της επιφανειακής απορροής από αστικές περιοχές, που κυµαίνονται από απλές µεθόδους έως αρκετά περίπλοκες. Οι κυριότερες µέθοδοι είναι: α) η µέθοδος της σταθερής συγκέντρωσης, β) η επέκταση της µεθόδου σταθερής συγκέντρωσης, µε βάση την οποία αυτοµατοποιείται η προαναφερθείσα µέθοδος µε τη χρήση λογιστικών φύλλων, όπως το Excel, παρέχοντας έτσι τη δυνατότητα διαφοροποίησης της σταθερής συγκέντρωσης κατά χρήση γης, γ) στατιστικές µέθοδοι πολλαπλής παλινδρόµησης, όπου η µέση συγκέντρωση ρυπαντικών φορτίων συσχετίζεται µε τις παροχές ή τους όγκους α- πορροής, δ) διάφορες ιδέες για τους τρόπους συσσώρευσης σκόνης, ακαθαρσίας και λοιπών ρύπων σε επιφάνειες δρόµων αστικών περιοχών, καθώς επίσης και για τους µηχανισµούς απόπλυσης των ρύπων κατά τη διάρκεια γεγονότων βροχόπτωσης. Οι ιδέες αυτές έχουν ενσωµατωθεί σε αρκετά µοντέλα προσοµοίωσης. Κάποια από αυτά µάλιστα εµπεριέχουν όλη την πολύπλοκη διαδικασία της συσσώρευσης στις ξηρές περιόδους µεταξύ των βροχοπτώσεων, συµπεριλαµβανοµένης της αποθήκευσης, της διάβρωσης από τον άνεµο, του σκουπίσµατος των δρό- µων, κ.λπ. Στην παρούσα εργασία χρησιµοποιείται ένα από τα καλύτερα και πλέον δηµοφιλή µοντέλα το PCSWMM 2002 GIS. Το µοντέλο αυτό έχει αναπτυχθεί από το Πανεπιστήµιο του Guelph (Ontario, Καναδάς) και από την εταιρία Computational Hydraulics International (CHI), που εδρεύει επίσης στον Καναδά [3]. Το µοντέλο αυτό ενσωµατώνει τον κώδικα του Storm Water Management Model (SWMM) της USEPA [4], ο οποίος έχει εφαρµοστεί και δοκιµαστεί µε επιτυχία σε ένα µεγάλο αριθµό περιπτώσεων. Επιπλέον όµως ενσωµατώνει µια σειρά από δυνατότητες, που το καθιστούν ουσιαστικά ένα εποπτικό σύστηµα λήψης αποφάσεων (graphical decision support system). Χαρακτηριστικά αναφέρεται η δυνατό-

202 τητα εισαγωγής πληροφοριών σε γεωγραφική βάση δεδο- µένων GIS. Το παραπάνω µοντέλο εφαρµόσθηκε στην πόλη της Ορεστιάδας, το δίκτυο των οµβρίων της οποίας καθώς και λοιπές χωρικές πληροφορίες «ψηφιοποιήθηκαν» µε τη χρήση κατάλληλων εργαλείων του µοντέλου και εισήχθηκαν σε γεωγραφική βάση πληροφοριών, που δηµιουργήθηκε γι αυτό τον σκοπό. Τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης δηλαδή τα υδρογραφήµατα και «ρυπαρογραφήµατα» στην έξοδο του δικτύου οµβρίων συγκρίθηκαν µε δειγµατοληπτικές µετρήσεις ρύπων που έγιναν για λόγους ελέγχου τόσο στη βροχόπτωση όσο και στην α- πορροή. 2. ΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΤΟΥ PCSWMM 2002 (GIS) 2.1. Περιγραφή δυνατοτήτων του SWMM 2.1.1. Προσοµοίωση ποσότητας επιφανειακής απορροής Το SWMM αρχικά αναπτύχθηκε για τον Αµερικανικό Οργανισµό Προστασίας Περιβάλλοντος (EPA) µεταξύ 1969 και 1971 και ήταν το πρώτο µοντέλο της κατηγορίας του για ανάλυση της αστικής απορροής. Έχει χρησι- µοποιηθεί για την ανάλυση πολύ σύνθετων προβληµάτων σε πόλεις των ΗΠΑ, του Καναδά, της Ευρώπης, της Αυστραλίας και άλλων περιοχών. Συνεχώς αναβαθµίζεται, εξελίσσεται και συµπληρώνεται µε νέες λειτουργίες και εφαρµογές, ώστε σήµερα να θεωρείται ως ένα από τα πιο πλήρη και εύχρηστα µοντέλα που υπάρχουν για την προσοµοίωση της ποσότητας και της ποιότητας της αστικής απορροής τόσο για µεµονωµένα βροχοµετρικά γεγονότα, όσο και για συνεχή προσοµοίωση. Στην παρούσα εργασία χρησιµοποιήθηκε η έκδοση SWMM 4.4gu (Σεπτέµβριος 1999). Για την αριθµητική προσέγγιση του φυσικού συστή- µατος απορροής είναι απαραίτητη η διαίρεση της περιοχής σε υπολεκάνες. Έτσι η λεκάνη απορροής αντιπροσωπεύεται εννοιολογικά από ένα δίκτυο από υδραυλικά στοιχεία, δηλαδή από υπολεκάνες, φρεάτια και αγωγούς. Οι υδραυλικές ιδιότητες κάθε στοιχείου χαρακτηρίζονται τότε από διάφορες παραµέτρους, όπως το µέγεθος, η κλίση, ο συντελεστής τραχύτητας, κ.λπ. Οι υπολεκάνες αντιπροσωπεύουν ιδανικές περιοχές απορροής µε οµοιόµορφη κλίση και παράµετροι όπως η τραχύτητα, η αποθήκευση σε κοιλότητες και η διήθηση λαµβάνονται σταθερές για όλη την υπολεκάνη. Η διακριτοποίηση ξεκινά µε τον προσδιορισµό των ορίων της λεκάνης απορροής, της θέσης των κυριότερων φρεατίων και την επιλογή των καναλιών και των αγωγών που θα συµπεριληφθούν στη µελέτη. Τα όρια της υδρολογικής λεκάνης προσδιορίζονται µε τη βοήθεια τοπογραφικού χάρτη, ενώ η θέση των φρεατίων προσδιορίζεται χρησιµοποιώντας ένα χάρτη, που περιγράφει το αποχετευτικό σύστηµα. Το ποσοστό αδιαπερατότητας των υπολεκανών µπορεί να µετρηθεί µε ακρίβεια από εναέριες φωτογραφίες ή από χάρτες χρήσεων γης. Το SWMM απαιτεί τουλάχιστον ένα ιετόγραµµα ε- Υδρολογία, Ποιότητα και ιαχείριση Επιφανειακών Νερών ντάσεων βροχόπτωσης ως συνάρτηση του χρόνου για την περίοδο της προσοµοίωσης, µε δυνατότητα εισαγωγής µέχρι δέκα ιετογραµµάτων από δέκα βροχοµετρικούς σταθµούς. Λαµβάνεται υπόψη ένα µέσο µηνιαίο ποσοστό εξάτµισης για κάθε µήνα που µελετάται, το οποίο αφαιρείται σε κάθε χρονικό βήµα από τις εντάσεις βροχόπτωσης και από το ύψος απορροής λόγω τήξης του χιονιού και χρησιµοποιείται επίσης για την ανανέωση της αποθηκευµένης ποσότητας νερού στις επιφανειακές κοιλότητες. Το SWMM παρέχει τη δυνατότητα υπολογισµού της διήθησης µε δύο διαφορετικές εξισώσεις, του Horton και των Green - Ampt. 2.1.2. Προσοµοίωση ποιότητας επιφανειακής απορροής Η αύξηση της συγκέντρωσης του πληθυσµού στα α- στικά κέντρα και η ανάπτυξή τους επιφέρει και την αύξηση των ρύπων. Τα είδη των ρύπων που παράγονται στις πόλεις ποικίλουν, από συνήθη οργανικά υλικά σε ιδιαίτερα τοξικά µέταλλα. Πολλοί ρύποι, όπως εντοµοκτόνα και άλατα δρόµων, ρίπτονται σκόπιµα στις πόλεις, ενώ άλλα είδη ρύπων, όπως είναι ο µόλυβδος και τα πετρελαιοειδή, προκύπτουν από τις δραστηριότητες των ανθρώπων στις αστικές περιοχές. Οι κύριοι ρύποι που ανιχνεύονται στην απορροή από αστικές περιοχές είναι τα αιωρούµενα στερεά, ουσίες µε απαίτηση οξυγόνου, άλατα δρόµων, βαρέα µέταλλα, υδρογονάνθρακες πετρελαιοειδών, παθογόνα βακτήρια και ιοί. Όπως είναι γνωστό, οι πρωταρχικές διεργασίες, οι ο- ποίες µπορούν να οδηγήσουν σε προβλήµατα ποιότητας νερού είναι η ατµοσφαιρική απόπλυση, η διάβρωση του εδάφους και η επιφανειακή απόπλυση. Κατά την απορροή και τη µεταφορά τους, οι ρύποι υφίστανται φυσική, χηµική ή βιολογική µετατροπή και γίνεται εναπόθεσή τους σε διάφορες επιφάνειες µέσω µηχανισµών, όπως είναι η προσρόφηση και η καθίζηση. Μεγάλες δυσκολίες προκύπτουν τόσο στην αντιπροσώπευση των φυσικών, χηµικών και βιολογικών διαδικασιών όσο και στην απόκτηση δεδοµένων και παραµέτρων για τους αλγόριθµους των µοντέλων. Οι πραγµατικοί µηχανισµοί συγκέντρωσης ρύπων στις εδαφικές επιφάνειες περιλαµβάνουν παράγοντες όπως είναι ο άνεµος, η κυκλοφορία των οχηµάτων, η ατµοσφαιρική τέφρα, οι δραστηριότητες στην επιφάνεια του εδάφους, η διάβρωση, ο καθαρισµός των οδών καθώς και άλλοι αστάθµητοι παράγοντες. Παρόλο που έχουν γίνει προσπάθειες να συ- µπεριληφθούν τέτοιοι παράγοντες σε εµπειρικές εξισώσεις [5], είναι µη ρεαλιστικό να υποτεθεί, ότι µπορούν να αντιπροσωπευθούν αυτοί οι παράγοντες µε αρκετή ακρίβεια, ώστε να προσδιοριστούν εκ των προτέρων η ποσότητα των ρύπων στην επιφάνεια του εδάφους τη χρονική στιγµή της έναρξης της καταιγίδας. Πολύ δύσκολο είναι επίσης οι εµπειρικές εξισώσεις που αφορούν την απόπλυση των ρύπων να αντιπροσωπεύουν αληθινά τις σύνθετες υδροδυναµικές, χηµικές και βιολογικές διεργασίες που λαµβάνουν χώρα, καθώς η ε-

Ολοκληρωµένη ιαχείριση Υδατικών Πόρων 203 πιφανειακή απορροή κινείται σε τυχαία σηµεία πάνω στην επιφάνεια του εδάφους. Τέτοιες αβεβαιότητες µπορούν να αντιµετωπιστούν µε συλλογή δεδοµένων βαθµονόµησης και επαλήθευσης των εξισώσεων του µοντέλου. ίνοντας τα απαραίτητα στοιχεία, οι εξισώσεις που χρησιµοποιούνται στο SWMM µπορούν συνήθως να αναπαράγουν µετρηµένες συγκεντρώσεις και φορτία. Οι κυριότεροι µηχανισµοί που συνεισφέρουν στην ποιότητα του νερού που απορρέει επιφανειακά λόγω βροχόπτωσης είναι η συσσώρευση (build up) και η απόπλυση (washoff). Με τον όρο συσσώρευση εννοείται το σύνολο των συστατικών που συσσωρεύεται στην επιφάνεια του εδάφους κατά τη διάρκεια του ξηρού καιρού που προηγείται της καταιγίδας. Το SWMM παρέχει τρεις επιλογές για συσσώρευση σκόνης και ρύπων (DD) και τρεις για µεµονωµένο ρύπο, που ονοµαστικά είναι οι: α) powerlinear, β) exponential, και γ) Michaelis-Menton. Η απόπλυση αναφέρεται στην ενέργεια / ορµή της βροχής που παρασύρει τα συστατικά που έχουν συσσωρευτεί και τα κατευθύνει στα φρεάτια. Το SWMM παρέχει δύο επιλογές για υπολογισµό της απόπλυσης, οι οποίες είναι: α) power-exponential, και β) rating curve. Εκτός από τη συσσώρευση και την απόπλυση, η ίδια η βροχή συνεισφέρει σηµαντικά στην ποιότητα του νερού, καθώς µπορεί να περιέχει υψηλές συγκεντρώσεις διάφορων συστατικών, που βρίσκονται στην ατµόσφαιρα. 2.2. Πρόσθετες δυνατότητες του PCSWMM 2002(GIS) Η ποιο σηµαντική δυνατότητα που προσθέτει το PCSWMM 2002 (GIS) είναι η δυνατότητα εισαγωγής χωρικών πληροφοριών σε γεωγραφική βάση δεδοµένων (G.I.S.). Σε αντίθεση µε άλλα αντίστοιχα µοντέλα δεν συνεργάζεται για τον σκοπό αυτό µε γνωστά γεωγραφικά συστήµατα πληροφοριών, όπως το ARC/INFO ή το MAP/INFO. Αντίθετα έχει ενσωµατωµένο ειδικό υποπρόγραµµα µε βάση το οποίο είναι δυνατή η «ψηφιοποίηση» ενός πολεοδοµικού χάρτη, πάνω στον οποίο βρίσκεται σχεδιασµένο το αποχετευτικό δίκτυο. Ο χειρισµός και εν γένει ο τρόπος εισαγωγής των πληροφοριών είναι απλούστατος, ακριβώς επειδή γίνεται εξειδίκευση σε ένα συγκεκριµένο πρόβληµα σε αντίθεση µε τα ARC/INFO ή MAP/INFO, που είναι «µεγάλα», «δαιδαλώδη» και απαιτούν πολλές ώρες εκπαίδευσης για την εκµάθησή τους. Βεβαίως οι δυνατότητες των γνωστών πακέτων G.I.S. είναι πάρα πολλές σε σχέση µε του PCSWMM 2002, το οποίο ενσωµατώνει όσες ακριβώς απαιτούνται για την αντιµετώπιση του προβλήµατος της ρύπανσης από µη σηµειακές πηγές. Επίσης, για να καταστεί δυνατή η συνεργασία των ARC/INFO ή MAP/INFO µε κάποιο µοντέλο προσοµοίωσης ρύπανσης από µη σηµειακές πηγές, απαιτείται σηµαντική εργασία για την κατασκευή διαύλων επικοινωνίας (interfaces) [6], που δεν απαιτείται στην περίπτωση χρήσης του PCSWMM 2002. Ένα ακόµη σηµαντικό πλεονέκτηµα του PCSWMM 2002 είναι η α- ποθήκευση δεδοµένων σε µορφή αρχείου της ευρύτατα γνωστής βάσης δεδοµένων της Microsoft ACCESS. Έτσι πέρα από τα ενσωµατωµένα στο µοντέλο εργαλεία διαχείρισης της βάσης αυτής, είναι πολύ εύκολη και ευρύτατα γνωστή η παραπέρα επεξεργασία των δεδοµένων της βάσης µε ταξινόµηση, επιλογή (φιλτράρισµα), µετακίνηση, δηµιουργία ερωτηµάτων φορµών - εκθέσεων, εξαγωγή στοιχείων σε µορφή πινάκων EXCEL, κ.λπ. Για την έναρξη της «ψηφιοποίησης» µε το PCSWMM 2002 (GIS) απαιτείται ένα σχέδιο (τοπογραφικός χάρτης ή αεροφωτογραφία) να «αναγνωσθεί» από έναν σαρωτή εικόνας (scanner) και στη συνέχεια το παραγόµενο αρχείο εικόνας σε µορφή αρχείου bmp, jpg, κ.λπ., να εισαχθεί ως υπόβαθρο στο παράθυρο σχεδίασης του GIS, ώστε να γίνει ευκολότερα η τοποθέτηση των στοιχείων του δικτύου οµβρίων, όπως φαίνεται στο Σχήµα 1. Επιλέγεται ακολούθως από την εργαλειοθήκη το εικονίδιο δηµιουργίας αγωγών και διαδοχικά µε τη χρήση του ποντικιού ορίζονται τα φρεάτια του δικτύου από τα ανάντη προς τα κατάντη, τα οποία επισηµαίνονται από το λογισµικό µε µαύρες, έντονες κουκίδες. Ταυτόχρονα δη- µιουργούνται και εµφανίζονται µε άλλο χρώµα οι αγωγοί που συνδέουν τα φρεάτια, ενώ κωδικοποιούνται από το λογισµικό και εµφανίζονται στην οθόνη οι κωδικοί των αγωγών και των φρεατίων. Στη συνέχεια διακριτοποιείται η υδρολογική λεκάνη σε υπολεκάνες επιλέγοντας από την εργαλειοθήκη το εικονίδιο δηµιουργίας πολυγώνων. Επιλέγοντας ένα φρεάτιο δηµιουργείται κατ αρχήν ένα κίτρινο βέλος ως ένδειξη αντιστοίχισης µιας υπολεκάνης της οποίας η επιφανειακή απορροή παροχετεύεται στο φρεάτιο αυτό (Σχήµα 2). Για να οριοθετηθεί η υπολεκάνη αυτή, απλά επιλέγονται µε τη χρήση του ποντικού περιµετρικά σηµεία της, οπότε και παίρνει πράσινο χρώµα (Σχήµα 3). Επιπλέον για γειτονικές υπολεκάνες επιλέγοντας σχετική λειτουργία του λογισµικού (Subcatchment/Snap to neighbours) όλες οι γειτονικές υπολεκάνες ενώνονται µεταξύ τους, ώστε να µην αφήνουν κενές περιοχές (Σχήµα 4). Επίσης οι υπολεκάνες κωδικοποιούνται αυτόµατα µε βάση τον κωδικό του αντιστοιχούντος φρεατίου. Με βάση τα παραπάνω το λογισµικό «αντιλαµβάνεται» την ιεραρχική δοµή του δικτύου οµβρίων, υπολογίζει τα µήκη των αγωγών και τα εµβαδά των υπολεκανών. ιάφορα άλλα χαρακτηριστικά, όπως συντελεστές τραχύτητας αγωγών και υπολεκανών, γεωµετρικός τύπος αγωγών (τραπεζοειδής, κυκλικός, κ.λπ) είναι δυνατό να εισαχθούν εύκολα είτε µε εντολές µαζικής επιλογής και απόδοσης τιµών που διαθέτει το λογισµικό, είτε επιλέγοντας οποιοδήποτε υδραυλικό στοιχείο (υπολεκάνη, αγωγός, φρεάτιο) και εισάγοντας την επιθυµητή τιµή στον πίνακα των ιδιοτήτων του.

204 Υδρολογία, Ποιότητα και ιαχείριση Επιφανειακών Νερών Σχήµα 1: Εισαγωγή χάρτη ως υπόβαθρου Σχήµα 4: Τµήµα δικτύου οµβρίων που έχει «ψηφιοποιηθεί» Άλλες δυνατότητες του µοντέλου είναι η γραφική α- πεικόνιση των αποτελεσµάτων, η ταυτόχρονη εµφάνισή τους στο ίδιο γράφηµα για συγκριτική αξιολόγηση, η κινηµατογραφική προβολή διαδοχικών εικόνων υπολογιζό- µενων βαθών ροής (animation) για την καλύτερη κατανόηση του φαινοµένου, κ.λπ. Σχήµα 2: Επιλογή φρεατίου για παροχέτευση υπολεκάνης Σχήµα 3: Οριοθέτηση υπολεκάνης 3. ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΑΣΤΙ- ΚΗΣ ΑΠΟΡΡΟΗΣ ΠΟΛΗΣ ΟΡΕΣΤΙΑ- ΑΣ 3.1. Η πόλη της Ορεστιάδας Η Ορεστιάδα είναι µια πολύ νέα πόλη, που ιδρύθηκε το 1923 από Έλληνες πρόσφυγες πρώην κατοίκους της πόλης Ανδριανούπολης - που ήρθαν στην Ελλάδα µε βάση τη συνθήκη της Λωζάνης. Ο αρχικός πληθυσµός της πόλης ήταν 3,000 κάτοικοι και ο σηµερινός είναι περίπου 20,000 κάτοικοι. Η Ορεστιάδα είναι χτισµένη σε µια µεγάλη επίπεδη κοιλάδα σε απόσταση 5 km από τον ποταµό Έβρο, έχει περίπου ορθογωνικό σχήµα µε τη µεγάλη πλευρά στη διεύθυνση βορρά νότου, και διαθέτει ένα πολύ «κανονικό» δίκτυο δρόµων, όπως φαίνεται και στην αεροφωτογραφία του Σχήµατος 5. Η πόλη σε µια έκταση 121 εκταρίων καλύπτεται από δύο γειτονικά δίκτυα οµβρίων, της πόλης της Ορεστιάδας και του οικισµού της Οινόης, που το καθένα έχει µία µοναδική έξοδο. Το υπάρχον αποχετευτικό δίκτυο κατασκευάσθηκε το 1985-86 µε πρόβλεψη αύξησης του πληθυσµού στους 50,000 κατοίκους σε χρονικό ορίζοντα 40 ετών. Οι αποχετευτικοί αγωγοί είναι τοποθετηµένοι σε βάθος από 0.8m έως 1.2m, είναι διατοµής κυκλικής ή ορθογωνικής και κατασκευασµένοι από οπλισµένο σκυρόδεµα.

Ολοκληρωµένη ιαχείριση Υδατικών Πόρων 205 Σχήµα 5:Αεροφωτογαφία της Ορεστιάδας κοιτάζοντας νότια 3.2. Εφαρµογή του µοντέλου Η «ψηφιοποίηση» του αποχετευτικού δικτύου ξεκίνησε µε την εισαγωγή στην περιοχή σχεδίασης ως υπόβαθρου ενός αρχείου εικόνας του πολεοδοµικού χάρτη, πάνω στον οποίο ήταν σχεδιασµένο το αποχετευτικό δίκτυο. Με τη χρήση των κατάλληλων εργαλείων ορίσθηκαν τα φρεάτια και δηµιουργήθηκαν αυτόµατα οι αγωγοί, οι ο- ποίοι κωδικοποιήθηκαν και σηµάνθηκαν από το λογισµικό. Στη συνέχεια διακριτοποιήθηκε η υδρολογική λεκάνη σε υπολεκάνες επιλέγοντας από την εργαλειοθήκη το εικονίδιο δηµιουργίας πολυγώνων, όπως περιγράφηκε σε προηγούµενη παράγραφο. Έτσι κάθε υπολεκάνη αντιστοιχήθηκε στο φρεάτιο, στο οποίο παροχετεύεται η επιφανειακή απορροή της. Το µοντέλο υπολόγισε αυτόµατα τα µήκη των αγωγών και τα εµβαδά των υπολεκανών. ιάφορα άλλα δεδοµένα, όπως συντελεστές τραχύτητας αγωγών και υπολεκανών, γεωµετρικός τύπος αγωγών, χρήσεις γης, κ.λπ εισήχθηκαν πολύ εύκολα µε τη χρήση ενσωµατωµένων εντολών µαζικής επιλογής και απόδοσης τιµών, που διαθέτει η βάση δεδοµένων. Όλα τα παραπάνω στοιχεία µεταφέρθηκαν αυτόµατα και µε την απαιτούµενη µορφή στις κατάλληλες θέσεις του ASCI αρχείου εισόδου του SWMM, που ως γνωστό λειτουργεί σε περιβάλλον λειτουργικού συστήµατος DOS. Χρησιµοποιήθηκαν τιµές αδιαπερατότητας 80% για το κέντρο της πόλης και 45% για τις λιγότερο πυκνοκατοικηµένες συνοικίες. Οι τιµές του συντελεστή τραχύτητας Manning επιλέχθηκαν από τη βιβλιογραφία και λήφθηκαν 0.012 και 0.3 για τις αδιαπέρατες και διαπερατές περιοχές αντίστοιχα. Η αποθηκευτική ικανότητα στις αδιαπέρατες περιοχές λήφθηκε 0.5mm και στις διαπερατές περιοχές επιλέχθηκε η τιµή των 5mm ως αντιπροσωπευτική των αστικών περιοχών που καλύπτονται µε γρασίδι. Η βροχή για την οποία έγινε προσοµοίωση ήταν συνολικού ύψους 50mm, διάρκειας µιας ώρας και καταγράφηκε από βροχοµετρικό σταθµό, που είναι εγκαταστηµένος δίπλα στο εργοστάσιο ζάχαρης, που βρίσκεται στην είσοδο της πόλης. Η πόλη χωρίσθηκε σε πέντε διαφορετικές χρήσεις γης, που ήταν ζώνη κατοικιών, ζώνη πολυκατοικιών, εµπορική ζώνη, περιοχή σχολείων, και χώροι πρασίνου. σίνου. Τα δεδοµένα εισόδου αναφορικά µε την προσοµοίωση ποιότητας απαιτούν ειδική έρευνα για να προσδιοριστούν µε κάποια ακρίβεια, που δεν έγινε στα πλαίσια της παρούσας εργασίας. Οι χρησιµοποιηθείσες τιµές των παρα- µέτρων [7], που ρυθµίζουν τη συµπεριφορά των εξισώσεων συσσώρευσης και απόπλυσης λήφθηκαν από τη βιβλιογραφία [3], και είναι αντιπροσωπευτικές µεσαίου µεγέθους πόλεων. Η επιτυχία της εκλογής τους θα φανεί και από το βαθµό προσέγγισης των αποτελεσµάτων της προσοµοίωσης µε τις µετρήσεις ρύπων στην έξοδο του δικτύου οµβρίων, που έγιναν στα πλαίσια της παρούσας εργασίας. 3.3. Αποτελέσµατα προσοµοίωσης Στο Σχήµα 6 εµφανίζονται τα υδρογραφήµατα στην έξοδο των δικτύων οµβρίων της πόλης της Ορεστιάδας και του οικισµού της Οινόης. Το υδρογράφηµα της Οινόης έχει µεγαλύτερη πληµµυρική αιχµή και µεγαλύτερο όγκο απορροής σε σχέση µε το υδρογράφηµα από την πόλη της Ορεστιάδας, καθώς προέρχεται από µεγαλύτερης έκτασης υδρολογική λεκάνη. Αν τα ποσοστά αδιαπερατότητας ήταν τα ίδια και στις δύο αυτές υδρολογικές λεκάνες, τότε τα υδρογραφήµατα θα ήταν περίπου ανάλογα των εµβαδών τους. Το δίκτυο οµβρίων της Οινόης έχει σχεδιαστεί για παροχή 12 m 3 /s. Όπως προκύπτει από το Σχήµα 6, η µέγιστη παροχή για τη συγκεκριµένη βροχόπτωση είναι 9 m 3 /s, που φαίνεται να είναι µια ρεαλιστική προσέγγιση της πραγµατικότητας, δεδοµένου ότι ο οικισµός της Οινόης παρουσιάζει αυξανόµενη αστικοποίηση τα τελευταία χρόνια. Αναφορικά µε την ποιότητα της επιφανειακής απορροής έγινε προσοµοίωση των εξής επτά ρύπων: ολικά αιωρούµενα στερεά (TSS), βιολογικά απαιτούµενο οξυγόνο (BOD5), χηµικά απαιτούµενο οξυγόνο (COD), συγκεντρώσεις αζώτου σε νιτρικά (ΝΟ 3 -Ν), συγκεντρώσεις αζώτου σε ενώσεις αµµωνίου (ΝΗ 4 -Ν), συγκεντρώσεις φωσφορικών (PO 4 -P), και συγκέντρωση κατιόντων υδρογόνου (pη). Στα Σχήµατα 7, 8, 9 και 10 εµφανίζονται µερικά από τα «ρυπαρογραφήµατα» που προέκυψαν ως α- ποτελέσµατα προσοµοίωσης από το µοντέλο PCSWMM 2002 (GIS). Για να γίνει αξιολόγηση των αποτελεσµάτων της προσο- µοίωσης έγινε λήψη δύο δειγµάτων βροχής, ενός πρώτου κατά τη διάρκεια των πρώτων 10 λεπτών της βροχόπτωσης και ενός δεύτερου κατά τη διάρκεια των υπόλοιπων 50 λεπτών βροχόπτωσης. Επίσης λήφθηκε ένα δείγµα α- πορροής στην έξοδο του δικτύου οµβρίων της πόλης της Ορεστιάδας και ένα δεύτερο στην έξοδο του δικτύου οµβρίων του προαστίου της Οινόης. Ο χρόνος δειγµατοληψίας ήταν περίπου 10 λεπτά µετά την έναρξη της βροχής (περί τις 18:20). Τα δείγµατα αυτά αναλύθηκαν στο εργαστήριο της ηµόσιας Επιχείρησης Ύδρευσης Αποχέ-

206 τευσης της Ορεστιάδας, και τα αποτελέσµατα παρουσιάζονται στον Πίνακα 1. παροχή (m 3 /s) Flow (m³/s) 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 18:30 19:00 19:30 20:00 20:30 21:00 Σχήµα 6: Υδρογραφήµατα στις εξόδους δικτύων οµβρίων πόλης Ορεστιάδας και προαστίου Οινόης BOD5 (mg/l) BOD5 (mg/l) 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 18:05 18:10 18:15 18:20 18:25 18:30 18:35 18:40 18:45 18:50 18:55 Σχήµα 7: Πρόβλεψη συγκέντρωσης BOD5 ως συνάρτηση του χρόνου COD (mg/l) COD (mg/l) 350 300 250 200 150 100 50 18:00 18:05 18:10 18:15 18:20 18:25 18:30 18:35 18:40 18:45 18:50 18:55 Σχήµα 8: Πρόβλεψη συγκέντρωσης COD ως συνάρτηση του χρόνου Υδρολογία, Ποιότητα και ιαχείριση Επιφανειακών Νερών NO3-N (mg/l) NO3-N (mg/l) 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 18:05 18:10 18:15 18:20 18:25 18:30 18:35 18:40 18:45 18:50 18:55 Σχήµα 9: Πρόβλεψη συγκέντρωσης NO 3 -N ως συνάρτηση του χρόνου PO4-N (mg/l) PO4-P (mg/l) 35 30 25 20 15 10 5 0 18:05 18:10 18:15 18:20 18:25 18:30 18:35 18:40 18:45 18:50 18:55 Σχήµα 10: Πρόβλεψη συγκέντρωσης PO 4 -N ως συνάρτηση του χρόνου Όπως προκύπτει από το Σχήµα 7 η συγκέντρωση του BOD5 στο χρόνο 18:20 ήταν 90 mg/l στην έξοδο του δικτύου οµβρίων της πόλης Ορεστιάδας έναντι της µετρηθείσας τιµής των 100 mg/l (Πίνακας 1), ενώ στην αντίστοιχη θέση της Οινόης η πρόβλεψη του µοντέλου είναι 37 mg/l (Σχήµα 7) έναντι της µετρηθείσας τιµής των 34 mg/l (Πίνακας 1). Για το COD οι προβλέψεις της προσο- µοίωσης στο χρόνο 18:20 (Σχήµα 8) είναι 250 mg/l και 80 mg/l στην απορροή της Ορεστιάδας και της Οινόης, ενώ από την ανάλυση των δειγµάτων προκύπτουν τιµές 180 mg/l και 125 mg/l αντίστοιχα (Πίνακας 1). Οµοίως αναφορικά µε τις συγκεντρώσεις αζώτου σε νιτρικά (ΝΟ 3 -Ν) προκύπτουν από το Σχήµα 9 και για την ίδια χρονική στιγµή 18:20 τιµές 10 mg/l και 4.4 mg/l, ενώ οι µετρηθείσες συγκεντρώσεις στην επιφανειακή απορροή των δύο υπολεκανών της πόλης και του προαστίου είναι 8.64 mg/l και 4.06 mg/l αντίστοιχα. Οι παραπάνω προβλέψεις θεωρείται ότι βρίσκονται σε αρκετά καλή συµφωνία µε τις µετρηθείσες τιµές. Πίνακας 1: Αποτελέσµατα χηµικής ανάλυσης δειγµάτων βροχής και απορροής

Ολοκληρωµένη ιαχείριση Υδατικών Πόρων 207 ΕΙΓΜΑ ΒΡΟΧΗΣ ΕΙΓΜΑ ΑΠΟΡΡΟΗΣ ΠΟΛΗΣ ΠΡΟΑΣΤΙ- ΕΙ ΟΣ 10 ΠΡΩΤΑ 50 ΕΠΟΜΕ- ΟΡΕΣΤΙΑ- ΟΥ ΡΥΠΟΥ ΛΕΠΤΑ ΝΑ ΛΕΠΤΑ ΑΣ ΟΙΝΟΗΣ TSS <150 0 700 760 BOD5 45 22 >100 34 COD 69 45 180 125 NO3-N 6.81 2.74 8.64 4.06 NH4-N 0 0 1.22 1.12 PO4-P 2.1 1.4 16 18.5 ph 8.4 7.7 7.61 7.78 Για τις συγκεντρώσεις φωσφορικών (PO 4 -P) προβλέπονται τιµές (Σχήµα 10) 17 mg/l και 4 mg/l στην επιφανειακή απορροή της πόλης και του προαστίου αντίστοιχα, ενώ οι µετρηθείσες τιµές στις ίδιες θέσεις ήταν 16 mg/l και 18.5 mg/l. Όπως προκύπτει, η απόκλιση της συγκέντρωσης για την περιοχή του προαστίου της Οινόης είναι µεγάλη και ενδεχοµένως να οφείλεται στη χρήση λιπασµάτων στους κήπους κάποιων κατοικιών. Επίσης η πρόβλεψη του µοντέλου για τα ολικά αιωρούµενα στερεά (TSS) δεν ήταν επιτυχής, και η αιτία πρέπει να αναζητηθεί στις εισαχθείσες παραµέτρους αναφορικά µε τον τρόπο συσσώρευσης και απόπλυσης των ρύπων. Τέλος οι προβλεφθείσες τιµές pη ήταν αρκετά ακριβείς σε σχέση µε τις µετρηθείσες, και υποδεικνύουν µη όξινη ατµόσφαιρα, κάτι το οποίο ήταν αναµενόµενο καθώς δεν υ- πάρχουν βιοµηχανίες στην περιοχή για να αυξηθεί η οξύτητα της βροχής. 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην εργασία αυτή γίνεται προσοµοίωση της ποιότητας της επιφανειακής απορροής της αστικής περιοχής της πόλης της Ορεστιάδας µε τη χρήση του PCSWMM 2002 GIS, που ενσωµατώνει µια σειρά από νέες δυνατότητες, όπως της εισαγωγής πληροφοριών σε γεωγραφική βάση δεδοµένων. Ως αποτελέσµατα της προσοµοίωσης παρήχθησαν υδρογραφήµατα και «ρυπαρογραφήµατα» στην έξοδο του δικτύου οµβρίων. Οι προβλέψεις της προσο- µοίωσης για διάφορους ρύπους συγκρίθηκαν µε µετρηθείσες τιµές των ρύπων αυτών στην απορροή στην έξοδο του δικτύου οµβρίων. Παρά το γεγονός ότι οι διάφοροι απαιτούµενοι παράµετροι εισόδου στο µοντέλο επιλέχθηκαν από τη βιβλιογραφία, τα αποτελέσµατα της προσο- µοίωσης της ποιότητας της αστικής απορροής αντιπροσώπευαν µε ικανοποιητική ακρίβεια την πραγµατικότητα, όπως προέκυψε από τη σύγκρισή τους µε τις µετρηθείσες τιµές. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Donigian A., W. Huber (1991). Modeling of Non-point Source Water Quality in Urban and Non-urban areas, Dodson & Associates Inc. 2. Tsihrintzis V., Rizwan Hamid (1997). Modeling and Management of Urban Stormwater Runoff Quality: A Review, Water Resources Management, 11, 137-164. 3. James W., W. Huber, R. Pitt, R. Dickinson, R. James (2002). Water Systems Models [1] Hydrology. User s Guide to SWMM4 Runoff and Supporting Modules and to PCSWMM, CHI, Guelph, Ontario, Canada. 4. US Environmental Protection Agency (USEPA), (1997). SWMM EXE DOS User s Manual, Version 4.31, Houston, Texas. 5. James W., Boregowda S., (1985). Continuous Mass Balance of Pollutant Build-up Processes, Urban Runoff Pollution, NATO ASI Series, Series G, 10, 243-271 6. Tsihrintzis V., H. Fuentes, R. Gadipudi (1997). GIS Aided Modeling of Nonpoint Source Pollution Impacts on Surface and Ground Waters, Water Resources Management, 11, 207-218. 7. Kafetzis A., (2003). Analysis of the USEPA Stormwater Management Model Accompanied by Application in the town of Orestiada, MSc. Thesis, Dep. of Civil Engineering, University of Glasgow, UK, pp 97.

208 Υδρολογία, Ποιότητα και ιαχείριση Επιφανειακών Νερών Α. Καφετζής, MSc. Πολιτικός Μηχανικός, Ορεστιάδα, E-mail: thankafe@hotmail.com. Π.Β. Αγγελίδης, Λέκτορας, Τοµέας Υδραυλικών Έργων, Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών, Πολυτεχνική Σχολή, ηµοκρίτειο Πανεπιστήµιο Θράκης, Ξάνθη 67100. Τηλ./Fax: 25410-79610. E-mail: pangelid@civil.duth.gr. Ν.Ε. Κωτσοβίνος, Καθηγητής, Τοµέας Υδραυλικών Έργων, Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών, Πολυτεχνική Σχολή, ηµοκρίτειο Πανεπιστήµιο Θράκης, Ξάνθη 67100. Τηλ./Fax: 25410-79601. E-mail: kotsovin@civil.duth.gr.