Αξιολόγηση εναλλακτικών μεθόδων ανάλυσης ευαισθησίας μοντέλου ευτροφισμού

Παπαγεωργίου, Νικόλαος; Papageorgiou, Nikolaos

dc.contributor.author	Παπαγεωργίου, Νικόλαος	el
dc.contributor.author	Papageorgiou, Nikolaos	en
dc.date.accessioned	2021-03-29T20:01:21Z
dc.date.available	2021-03-29T20:01:21Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/53172
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.20870
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Μοντέλο ευτροφισμού	el
dc.subject	Χλωροφύλλη	el
dc.subject	Ανάλυση ευαισθησίας	el
dc.subject	Μέθοδος Morris	el
dc.subject	Μέθοδος FAST	el
dc.subject	Eutrophication model	en
dc.subject	Chlorophyll	en
dc.subject	Sensitivity Analysis	en
dc.subject	FAST method	en
dc.subject	Morris method	en
dc.title	Αξιολόγηση εναλλακτικών μεθόδων ανάλυσης ευαισθησίας μοντέλου ευτροφισμού	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ανάλυση ευαισθησίας	el
heal.classification	Περιβαλλοντική υδραυλική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-03-10
heal.abstract	Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της σημαντικότητας των διεργασιών, οι οποίες περιλαμβάνονται στο φαινόμενο του ευτροφισμού για τους υδάτινους αποδέκτες. Η μελέτη αποσκοπεί στην εύρεση των δεικτών σημαντικότητας κάθε διεργασίας, στην ιεράρχησή τους με σειρά σημαντικότητας, αλλά και στην διαλογή τους για τον αποκλεισμό των μη – σημαντικών. Πραγματοποιείται με την ανάπτυξη ενός μαθηματικού μοντέλου ποιότητας νερού, το οποίο περιλαμβάνει όλες τις φυσικές, βιολογικές και χημικές διεργασίες που επιτελούνται σε ένα υδάτινο σώμα. Προσομοιώνει, μεταξύ άλλων, την ανάπτυξη και την φθορά των φωτοσυνθετικών μικροοργανισμών, την νιτροποίηση, τον επαναερισμό, την μετατροπή του οργανικού φωσφόρου σε ανόργανο, την οξείδωση του οργανικού άνθρακα, την μείωση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας λόγω αιωρούμενων στερεών και φυσικής θολότητας κ.ά. Στις μεταβλητές εξόδου, περιλαμβάνονται ρύποι και ποιοτικά χαρακτηριστικά όπως: το φυτοπλαγκτόν (σε όρους χλωροφύλλης), το αμμωνιακό και οξειδωμένο άζωτο ή νιτρικά (NH και NO αντίστοιχα), τον φώσφορο (P, οργανικό και ανόργανο), τον οργανικό άνθρακα (C), το διαλυμένο οξυγόνο (DO) και την διαφάνεια του νερού (σε όρους μέτρων Secchi Disk, SD). Ο πραγματικός χρόνος προσομοίωσης του μοντέλου είναι τρία χρόνια, για να έχει επέλθει η κατάλληλη σταθερότητα των τιμών, ενώ παράλληλα λαμβάνει υπόψη και τα υδροδυναμικά χαρακτηριστικά της λίμνης για την οποία διεκπεραιώθηκε η προσομοίωση. Το μοντέλο, όπως αναφέρθηκε, περιγράφει όλες τις διεργασίες που περιλαμβάνει το φαινόμενο του ευτροφισμού. Οι διεργασίες αυτές, χαρακτηρίζονται από παραμέτρους με κατάλληλες τιμές και με τα αντίστοιχα εύρη τιμών τους, για τις οποίες πραγματοποιείται η μελέτη σημαντικότητας μέσω μεθόδων ανάλυσης ευαισθησίας. Η ανάλυση ευαισθησίας διεκπεραιώνεται μέσω τεσσάρων μεθόδων: της μεθόδου «one-at-a-time», της μεθόδου FAST, της μεθόδου Morris και της μεθόδου Sobol. Κατά την εφαρμογή των μεθόδων στο μοντέλο, μεταβάλλονται οι παράμετροι που αναφέρθηκαν, με στόχο την αναγνώριση τυχόν μεταβολών στα μεγέθη εξόδου του μοντέλου. Τελικά για κάθε μεταβλητή υπολογίζονται: οι δείκτες ευαισθησίας των παραμέτρων, η ιεράρχησή τους με σειρά σημαντικότητας, καθώς και η διαλογή τους, με στόχο να αποκλειστούν οι διεργασίες που δεν έχουν επιρροή στο φαινόμενο. Επιπλέον διερευνάται η σύγκλιση όλων των μεθόδων με αντίστοιχους δείκτες, ενώ πραγματοποιείται και σύγκριση, η οποία βασίζεται σε κατάλληλα κριτήρια τα οποία είναι εφαρμόσιμα για όλες τις μεθόδους. Τα κυριότερα συμπεράσματα που προέκυψαν από την ανάλυση ευαισθησίας για τις διεργασίες του μοντέλου, μέσω και των τεσσάρων μεθόδων, είναι τα εξής: Σημαντικότερες διεργασίες για το μοντέλο ευτροφισμού, με την συμφωνία όλων των μεθόδων, αναδεικνύονται: η φθορά και η ανάπτυξη των φωτοσυνθετικών μικροοργανισμών, η μείωση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας λόγω αιωρούμενων στερεών στο εσωτερικό της υδάτινης στήλης και ο ρυθμός με τον οποίο καταναλώνεται το άζωτο για την ανάπτυξη των μικροοργανισμών. Επιπλέον υπάρχουν και άλλες σημαντικές διεργασίες, με την συμφωνία δύο μεθόδων, όπως η νιτροποίηση, η μετατροπή του οργανικού φωσφόρου σε ανόργανο, η οξείδωση του οργανικού άνθρακα και η μείωση της ακτινοβολίας λόγω φυσικής θολότητας. Η ολοκλήρωση της μεθόδου Morris και για τις υπόλοιπες μεταβλητές εξόδου κρίνεται απαραίτητη, για την επαλήθευση ή για τον αποκλεισμό των διεργασιών αυτών. Το μοντέλο ευτροφισμού της διπλωματικής εργασίας, χαρακτηρίζεται κυρίως από μη – γραμμική συμπεριφορά, καθώς εμφανίζονται αλληλεπιδράσεις μεταξύ των παραμέτρων του για όλες τις μεταβλητές εξόδου. Η σύγκριση μεταξύ των μεθόδων παρουσιάζει την καλή συμφωνία μεταξύ των μεθόδων FAST και Morris, ενώ αναδεικνύει και την ανάγκη για ολοκλήρωση της ανάλυσης της τελευταίας για όλες τις υπόλοιπες μεταβλητές του μοντέλου. Με αυτόν τον τρόπο όπως αναφέρθηκε, μπορεί να εμφανιστούν και άλλες σημαντικές διεργασίες για το μοντέλο. Παράλληλα, η εφαρμογή εναλλακτικών μεθόδων για το ίδιο μοντέλο, επιτρέπει την αξιολόγηση και την σύγκρισή τους με καλύτερο τρόπο, διότι αναγνωρίζονται πεδία συμφωνίας αυτών, ενώ αποκλείονται τα μεμονωμένα περιστατικά που προκύπτουν από κάθε μέθοδο. Η σύγκλιση για τις μεθόδους είναι σε σχετικά καλό επίπεδο, δεδομένου και των χρονικών απαιτήσεων για την διεκπεραίωσή τους, το οποίο μας επιτρέπει την χρήση των αποτελεσμάτων τους με μεγάλο βαθμό εμπιστοσύνης. Εξαίρεση αποτελεί η μέθοδος Sobol, για την οποία δεν επιτεύχθηκε η σύγκλισή της. Θα πρέπει να αναφερθεί, ότι για όλες τις μεθόδους απαιτήθηκαν μεγαλύτερα δείγματα από τα προτεινόμενα της βιβλιογραφίας. Επομένως, η επιλογή των μεθόδων θα πρέπει να γίνεται από τον μελετητή εφόσον έχουν αναγνωριστεί: ο στόχος της μελέτης, οι χρονικοί περιορισμοί της, καθώς και τα διαθέσιμα δεδομένα για τις παραμέτρους, που θα χρησιμοποιηθούν από το μοντέλο.	el
heal.abstract	The goal of this dissertation is the study of the significance of the eutrophication processes in the various types of water bodies, such as lakes and reservoirs. This study aims to identify the importance of each process present, rank the processes based on their significance and exclude the less or non-influential ones based on their screening. A water quality model which includes all the physical, chemical and biological processes that take place in any water body is deployed. This model, among other things, simulates the growth and decay of photosynthetic microorganisms; the nitrification; the reaeration; the conversion of organic phosphorus to inorganic; the oxidation of organic carbon; the reduction of the direct sunlight due to suspended solids and natural turbidity etc. The model outputs include pollutants and quality characteristics such as: phytoplankton (in the form of chlorophyll, A); ammoniacal and oxidized nitrogen or nitrates (NH and NO respectively); the phosphorus (P) (organic and inorganic); organic carbon (C); Dissolved oxygen (DO) and the transparency of water (Secchi Disk, SD meters). The simulation covers 3 years of real time in order for the values to reach an equilibrium while taking into account the hydrodynamic characteristics of the lake used in the simulation. As mentioned above, the model describes all the processes that are part of eutrophication and sensitivity analysis methodology is deployed to investigate the significance of the processes that are part of the eutrophication. Sensitivity analysis is performed via four different methods: the “one-at-a-time” method, the FAST method, the Morris method and the Sobol method. The parameters are adjusted upon application of the aforementioned methods to detect any changes in the model outputs. Lastly, for every parameter used the following are calculated: their sensitivity indices, their ranking based on their significance, as well as their screening so that the processes with no effect on the phenomenon are excluded. In addition, the convergence of all methods with the corresponding indices is investigated, while they are being compared based on appropriate criteria applicable on all the methods used. The most important conclusions of the sensitivity analysis are the following: The most important processes of the model, based on all the methods used, are: the growth and decay of the photosynthetic microorganisms, the reduction of the direct sunlight due to the suspended solids in the water column as well as the rate of nitrogen consumed for the growth of the microorganisms. In addition, there are more important processes, based on two methods, such as nitrification, the conversion of organic phosphorus to inorganic, the oxidation of organic carbon and the reduction of the direct sunlight due to natural turbidity. The application of the Morris method is crucial for the rest of the outputs, for verification or exclusion of these processes. The eutrophication model is mostly non-linear, as there is significant interaction between the parameters used for all outputs. There is a good agreement between the FAST and Morris methods, while the need of executing the latter for all the parameters used in the model is highlighted. The use of different methods on the same model allows for a proper review and comparison among them while it reveals common ground or by chance isolated extremes. The convergence of the methods is relatively good, despite the time requirements, providing us with results of high level of confidence. The only exception would be the Sobol method for which convergence wasn’t accomplished. It should be noted that all methods used, required larger sample sizes than the ones suggested in the literature. Therefore, selection of the appropriate method is to be done only after the scope of the study, the time constraints, as well as the available data for the model’s parameters have been identified.	en
heal.advisorName	Νουτσόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Ευστρατιάδης, Ανδρέας	el
heal.committeeMemberName	Μαλαμής, Συμεών	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Υδατικών Πόρων και Περιβάλλοντος	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	137 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false