Διαστασιολόγηση δεξαμενών όμβριων υδάτων στην Ελλάδα για αστική χρήση

Abstract

Στο πλαίσιο της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας, ένα μοντέλο ημερήσιου υδατικού ισοζυγίου αναπτύχθηκε, με σκοπό τη διαστασιολόγηση δεξαμενών συλλογής όμβριων υδάτων για αστική χρήση. Το βέλτιστο μέγεθος της δεξαμενής υπολογίστηκε επιτρέποντας την περίσσεια του νερού να υπερχειλίζει και ρυθμίζοντας στο μηδέν τη χρήση της δημόσιας παροχής ύδατος. Απαραίτητες προϋποθέσεις ορθής εφαρμογής του ημερήσιου ισοζυγίου είναι τόσο η διαθεσιμότητα ημερήσιων τιμών βροχόπτωσης διάρκειας τουλάχιστον 5 έως 10 ετών όσο και η αξιόπιστη καταγραφή των μετρήσεων αυτών, ενισχύοντας έτσι την αξιοπιστία της διαστασιολόγησης των ομβροδεξαμενών. Χρησιμοποιήθηκαν ημερήσιες τιμές βροχόπτωσης από 75 βροχομετρικούς σταθμούς, και από τα 14 Υδατικά Διαμερίσματα της χώρας, για τη χρονική περίοδο 1980-1996, με μέσες ετήσιες τιμές βροχόπτωσης να κυμαίνονται μεταξύ 323 mm και 1405.2 mm και τιμές μέγιστης ετήσιας άνομβρης περιόδου να κυμαίνονται μεταξύ 46 και 217 ημερών. Η διερεύνηση αφορούσε σε οικία μιας οικογένειας με αριθμό κατοίκων 3 έως 5, και ποσοστά ικανοποίησης οικιακών αναγκών 30% έως 50%, που μεταφράζονται (λαμβάνοντας ως ημερήσια κατανάλωση νερού κατ’ άτομο τα 150 l/κάτοικο/ημέρα) σε 45 έως 75 l/άτομο/ημέρα, αντίστοιχα. Τα ποσοστά αυτά αντιστοιχούν στις ανάγκες μιας οικογένειας για κατανάλωση νερού στην τουαλέτα (~30%), στο μπάνιο-ντους (20%-30%) ή/και στα πλυντήρια ρούχων και πιάτων (~15%). Σε πρώτη φάση προσδιορίστηκαν οι ελάχιστες απαιτούμενες επιφάνειες συλλογής ομβρίων για την κάλυψη των αναγκών ζήτησης σε ετήσια βάση από την ισότητα της ετήσιας συλλογής όμβριων υδάτων και της ετήσιας ζήτησης, για τα συγκεκριμένα ποσοστά κάλυψης αναγκών και αριθμό εξυπηρετούμενων κατοίκων. Στη συνέχεια εφαρμόστηκε το ημερήσιο ισοζύγιο και υπολογίστηκαν οι απαιτούμενοι όγκοι ομβροδεξαμενής, για αυτές τις ελάχιστες απαιτούμενες επιφάνειες και για καθορισμένες ανάγκες ζήτησης. Τέλος, διερευνήθηκε η μείωση των υπολογισμένων όγκων με αύξηση της επιφάνειας συλλογής ομβρίων πέραν της ελάχιστης απαιτούμενης και για επιφάνειες συλλογής έως 300 m2. Στην πλειοψηφία των 75 βροχομετρικών σταθμών που μελετήθηκαν, όγκοι ομβροδεξαμενής μικρότεροι των 50 m3 μπορούν να καλύψουν τη ζήτηση του 30% για 3 έως 5 κατοίκους, χωρίς οι επιφάνειες συλλογής όμβριων υδάτων να υπερβαίνουν τα 200 m2, ενώ όγκοι ομβροδεξαμενής ως 50 m3 και επιφάνειες συλλογής ομβρίων ως 300 m2 μπορούν να καλύψουν τη ζήτηση έως και του 40% των 4 κατοίκων. Μεγαλύτεροι όγκοι και επιφάνειες συλλογής απαιτούνται για την κάλυψη των αναγκών ζήτησης του 50% των 4 κατοίκων και του 40% και 50% των 5 κατοίκων. Ελάχιστες είναι οι εξαιρέσεις και αφορούν είτε σε περιοχές με μεγάλο μέσο ετήσιο ύψος βροχόπτωσης και μικρή τιμή μέγιστης άνομβρης περιόδου, όπου μπορούν να καλυφθούν πλήρως οι ανάγκες και του 50% των 5 κατοίκων, είτε σε περιοχές με μικρό μέσο ετήσιο ύψος βροχόπτωσης και μεγάλη τιμή μέγιστου αριθμού άνομβρων ημερών, όπου μπορούν να καλυφθούν πλήρως μόνο οι ανάγκες του 30% των 3 κατοίκων για επιφάνειες συλλογής ως 300 m2. Η αξιολόγηση των αποτελεσμάτων έδειξε ότι η μέγιστη ετήσια άνομβρη περίοδος ασκεί ισχυρή επίδραση στο μέγεθος της ομβροδεξαμενής, με αποτέλεσμα σταθμοί με παρόμοια μέση ετήσια βροχόπτωση και μεγάλη διαφορά στο μέγιστο αριθμό άνομβρων ημερών να έχουν διπλάσια έως τριπλάσια διαφορά στους όγκους ομβροδεξαμενών τους. Επίσης, η διαστασιολόγηση δεξαμενών συλλογής όμβριων υδάτων έγινε και με την απλή μέθοδο της μέγιστης ετήσιας άνομβρης περιόδου, όπου προσδιορίστηκαν οι όγκοι ομβροδεξαμενών για την κάλυψη της ζήτησης για τις ημέρες της μέγιστης ετήσιας άνομβρης περιόδου. Οι όγκοι ομβροδεξαμενής, που προέκυψαν από την εφαρμογή της μεθόδου της μέγιστης ετήσιας άνομβρης περιόδου, σε γενικές γραμμές είναι αρκετά μικρότερες από τις αντίστοιχες τιμές του ημερήσιου ισοζυγίου και προσεγγίζουν αυτές μόνο στην περίπτωση της κάλυψης χαμηλών αναγκών (30% των 3-5 κατοίκων) με μεγάλες επιφάνειες συλλογής ομβρίων (μεγαλύτερες των 300 m2) και σε σταθμούς με μεγάλη άνομβρη περίοδο και μέτρια έως υψηλή βροχόπτωση.

The aim of this postgraduate thesis is the sizing of rainwater harvesting tanks in Greece for domestic use. To determine the optimal size of rainwater harvesting tanks two methods, the daily water balance method and the dry period demand method, are used in 75 regions of Greece to meet non-potable water demand of a household 3 to 5 residents and their results are considered. A daily water balance model was developed, introducing heuristic algorithms which allowed excess water to overflow and adjusted public water supply to zero. Daily rainfall data within the period 1980-1996 from 75 stations distributed across the 14 Water Districts of Greece were obtained with mean annual rainfall values ranging from 323 to 1405.2 mm and maximum values of the longest annual dry periods ranging from 46 to 217 days. In this study, the water demand for non-potable use of a household with number of capita Νcap=3 to 5 was determined, assuming q=150 l/cap/day and p ranged from 30% to 50%, i.e. 45 to 75 l/cap/day, respectively. These percentages correspond to water use for toilet (~ 30%), bathroom-shower (20%-30%) or/and cloths and dishes washing (~ 15%). Firstly, the minimum required rainwater collection area to satisfy a certain percentage of total water demand for certain residents was calculated, assuming that the mean annual harvested rainwater volume is equal to mean annual demand. Secondly, a daily water balance model was applied and the required rainwater tank volumes for the above mentioned minimum areas for the given water demand were calculated. Finally, in order to size as smaller tanks as possible, the reduction of tank volume by increasing the collection area from the minimum required one was investigated. The results demonstrated that in the majority of 75 rainfall stations studied, tank sizes up to 50 m3 can meet a 135 to 225 l/d demand (30% of total demand of 3 to 5 residents), with roof areas not exceeding 200 m2, while a 240 l/d demand (40% of 4 residents) can be met with the same tank size by just increasing roof area to 300 m2. More than 50 m3 tank size is needed in order to meet demands of 300 l/d (40% of 5, 50% of 4 residents) or 375 l/d (50% of 5 residents). Only a few exceptions exist, regarding either stations with high annual rainfall and low dry period (e.g Agnanta, Arta), which can meet a 375 l/d (50% of 5 residents) demand with tank size up to 50 m3, or stations with low annual rainfall and high dry period (Faneromeni, Naxos) which can meet only a 135 l/d demand (30% of 3 residents) with tank size of 50 m3 if the roof area reaches 300 m2. The smallest tanks are needed in Epirus mountain areas, where a 135 l/d demand (30% of 3 residents) can be met with a 10 m3 tank, while the largest tanks are needed in Attica-Cyclades area where a 135 l/d demand needs a 50 m3 tank. Tank size is strongly affected by dry period value, since comparison among stations with large difference in dry period, regardless their difference in annual rainfall, showed a large difference in tank sizes. As a result of the dry period’s dominant role in tank sizing, it was concluded that small dry period leads to small tanks, with the exception of low rainfall-high demand (300-375 l/d) case, where low rainfall increases sizes, having the dominant role. In low rainfall areas regardless dry period value, roof areas of more than 300 m2 are needed in order to meet high demands (300-375 l/d). Comparison among dry period demand and daily water balance method showed that in all cases, dry period demand method calculates smaller tanks, with the exception of areas with medium-high rainfall and high dry period on one hand, and low-medium demand (135-225 l/d) and high roof areas (more than 300 m2) on the other.