Προσομοίωση ποιοτικών χαρακτηριστικών ποταμού μέσω του λογισμικού ΜΙΚΕ 11/ ECO Lab

Abstract

Τα μοντέλα προσομοίωσης φυσικών συστημάτων είναι εργαλεία που χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο τόσο για την μελέτη όσο και την διαχείριση των συστημάτων που εξετάζονται. 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 και προσομοιάζει την μονοδιάστατη ροή σ’ ένα ποτάμι. Οι δυνατότητές του δεν περιορίζονται μόνο στην προσομοίωση της υδροδυναμική συμπεριφοράς του συστήματος αλλά και στην μελέτη της ποιοτικής κατάστασης του ποταμού για πολλές μεταβλητές, στην προσομοίωση της μεταφοράς των ιζημάτων, στη μελέτη πλημμύρων κ.α. Αποτελεί ένα από τα πιο σύγχρονα και ευρέως χρησιμοποιούμενα μοντέλα σήμερα. Στη παρούσα εργασία μελετήθηκε και εφαρμόστηκε το ΜΙΚΕ 11/ECO Lab στον Κάτω Ρου του Βοιωτικού Κηφισού με σκοπό την ανάδειξη των δυνατοτήτων του. Το ΜΙΚΕ 11/ECO Lab περιλαμβάνει τρία μοντέλα: το υδροδυναμικό μοντέλο (HD), το μοντέλο μεταφοράς -διασποράς (AD) και το ποιοτικό μοντέλο (ECO Lab). 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 συμμεταφορά 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 παραμέτρους BOD, DO, νιτρικά, φωσφορικά και βαρέα μέταλλα. Ανάλογα με τις διεργασίες (αερισμός, οξείδωση οργανικής ύλης, νιτροποίηση, φωτοσύνθεση κ.α.) που επιλέγεται να εξεταστούν διαμορφώνεται η πολυπλοκότητα και οι απαιτήσεις του μοντέλου. Στη παρούσα εργασία θα χρησιμοποιηθεί το WQ1 και θα εξεταστούν οι μεταβλητές BOD και DΟ και οι διεργασίες επαναερισμού και οξείδωσης της οργανικής ύλης. Συγκεκριμένα, το ΜΙΚΕ 11/ΕCO Lab εφαρμόστηκε στο κύριο ρεύμα του Βοιωτικού Κηφισού για διάφορα υποθετικά σενάρια ώστε να αναδειχθούν οι κρίσιμοι παράμετροι μέσω της ανάλυσης ευαισθησίας. Αρχικά, χρησιμοποιήθηκε μόνο το HD μοντέλο και εφαρμόστηκαν διάφοροι περίοδοι επαναφοράς. Στη συνέχεια, προστέθηκε τo AD μοντέλο και μελετήθηκαν διάφορα υποθετικά σενάρια στον Βοιωτικό Κηφισσό για μια ουσία. Σκοπός των σεναρίων ήταν η ανάδειξη των παραμέτρων που επηρεάζουν περισσότερο στη μεταφορά και διασπορά της ουσίας κατάντη σημειακής πηγής. Οι παράμετροι που ελέγχθηκαν ήταν η παροχή και η συγκέντρωση του ρύπου στη σημειακή πηγή, η παροχή εισροής ανάντη της σημειακής πηγής και οι συντελεστές διασποράς και Manning n. Στη συνέχεια, εφαρμόστηκαν υποθετικά σενάρια με τα τρία μοντέλα (HD, AD, ECO Lab) στον Βοιωτικό Κηφισό ώστε να προσδιοριστούν οι παράμετροι που επηρεάζουν περισσότερο την ποιοτική κατάσταση ενός ποταμού. Tα αποτελέσματα της ανάλυσης ευαισθησίας χρησιμοποιήθηκαν στη συνέχεια για την προσομοίωση του Βοιωτικού Κηφισού εισάγοντας πλέον τις πραγματικές πιέσεις που υφίσταται σύμφωνα με το Σχέδιο Διαχείρισης των Λεκανών Απορροής Ποταμών του Υδατικού Διαμερίσματος Ανατολικής Στερεάς Ελλάδας (YΠΕΚΑ, 2013). Τα αποτελέσματα συγκρίνονται με μετρήσεις στην έξοδο του Βοιωτικού Κηφισσού ώστε να διαπιστωθεί η εγκυρότητα του μοντέλου και να βαθμονομηθεί εφόσον απαιτείται. 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.

Hydrological and Water quality models of natural systems are tools that are used increasingly for both the study and management of the systems tested. Despite the fact that each model can only give a simplified representation of reality, the conclusions of the simulations nevertheless can be decisive for the future state of the natural system under consideration. MIKE 11 is such a tool that simulates the one-dimensional flow in a river. Its capabilities are not limited to the simulation of the hydrodynamic behavior of the system but extend to the study of the qualitative status of the river for many variables in the simulation of sediment transport, the study of floods etc. It is one of the most modern and widely used models today. In the present study MIKE 11/ECO Lab was applied in the lower reaches of the Vioticos Kifissos River in order to demonstrate its capabilities. MIKE 11/ECO Lab includes three models: the hydrodynamic model (HD), the transport / dispersion model (AD) and the quality model (ECO Lab). The HD model is based on the Saint Venant equations that describe the flow in a river, while the numerical method used is a 6-point scheme known as the 6-point Abbott scheme. The model accepts as input a digital terrain study, the inflow (upstream boundary condition) and the geometry of the river. The model calibration is set using known curves of water levels / inflow and choice of an appropriate roughness coefficient. The AD model concerns the co-transport in the main flow and dispersion due to concentration differences. It accepts as input the concentrations of the tested substances and the coefficient of dispersion. The AD model is dynamically related to ECO Lab so that concentrations at each time step take into account transport - dispersion phenomena as well as the various biological, biochemical and natural processes. The ECO Lab contains various models of qualitative analysis. One of these is the Water Quality module, WQ, which includes among other parameters BOD, DO, nitrates, phosphates and heavy metals. The complexity and the requirements of the model depend on the processes (aeration, oxidation of organic matter, nitrification, photosynthesis, etc. ) chosen to examine. In this thesis we examine WQ1 involving the state variables BOD and DO and processes of re-aeration, photosynthesis, oxidation of organic matter, respiration and sediment oxygen demand. Initially, MIKE 11/ ECO Lab was applied in mainstream Vioticos Kifissos River for various scenarios to identify the critical parameters via sensitivity analysis. Then MIKE 11/ECO Lab was applied in Vioticos Kifissos River. Originally a test of the HD was performed by applying various return periods and then comparing them to known curves of water level / inflow and the choice of an appropriate roughness coefficient. Then the AD model was added to MIKE11 and various scenarios were studied in Vioticos Kifissos River regarding a specific substance. The purpose of the scenarios was to highlight the parameters that most affect the transport and dispersion of the substance downstream from a point source. The parameters tested were the provision and the concentration of the pollutant at the point source, the provision input upstream of the point source and the coefficient of dispersion. Following this they were studied. Then hypothetical scenarios were applied with the three models (HD, AD, ECO Lab) in Vioticos Kifissos River to identify the parameters that most affect the qualitative state of a river. The results of the sensitivity analysis was then used to simulate Vioticos Kifissos River using the actual pressures in accordance with the Management Plan for River Basin Water District of Eastern Continental Greece. The overall experience from using and learning MIKE 11 was very satisfying. Even though MIKE 11 is a rather complicated modeling package, it's capabilities allow the simulation of models ranging from simple water quality models to complicated models including many processes and variables. In conclusion, MIKE 11 is a very useful tool for the study and management of rivers.