Διερεύνηση ποιότητας όμβριων υδάτων για αγροτική χρήση σε αποκεντρωμένες περιοχές

Μάντζιος, Κωνσταντίνος; Mantzios, Konstantinos

dc.contributor.author	Μάντζιος, Κωνσταντίνος	el
dc.contributor.author	Mantzios, Konstantinos	en
dc.date.accessioned	2022-07-19T11:04:00Z
dc.date.available	2022-07-19T11:04:00Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/55414
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.23112
dc.rights	Default License
dc.subject	Νερό	el
dc.subject	Όμβρια	el
dc.subject	Συλλογή	el
dc.subject	Ποιότητα	el
dc.subject	Άρδευση	el
dc.subject	Water	en
dc.subject	Rainwater	el
dc.subject	Collection	el
dc.subject	Quality	el
dc.subject	Irrigation	el
dc.title	Διερεύνηση ποιότητας όμβριων υδάτων για αγροτική χρήση σε αποκεντρωμένες περιοχές	el
heal.type	masterThesis
heal.secondaryTitle	Investigation of rainwater quality for agricultural use in decentralized areas	en
heal.classification	Περιβαλλοντική μηχανική	el
heal.classification	Environmental engineering	en
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-03-08
heal.abstract	Στα πλαίσια του Ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος Horizon2020 HYDROUSA, λειτουργούν 3 διαφορετικά συστήματα ομβριοσυλλογής, 2 στο νησί της Μυκόνου (HYDRO3 & HYDRO4) και 1 στης Τήνου (HYDRO6). Τα εν λόγο συστήματα, συλλέγουν βρόχινα ύδατα από διαφορετικές επιφάνειες συλλογής (έδαφος, οροφές και άλλες δομημένες επιφάνειες) μέσω κατάλληλων τεχνικών και τα αποθηκεύουν σε ομβριοδεξαμενές, προκειμένου να εξυπηρετήσουν τη ζήτηση του νερού για άρδευση κατά τους καλοκαιρινούς μήνες. Αναλυτικότερα, το HYDRO3 πρόκειται για ένα υπεδάφιο σύστημα συλλογής όμβριων υδάτων με χρήση γεωμεμβράνης και γεωυφάσματος στην επιφάνεια για να φιλτράρει το νερό της βροχής κατά την είσοδο, επιτρέποντας παράλληλα τη διέλευσή του. Έπειτα, μέσω εύκαμπτων διάτρητων σωλήνων που έχουν τοποθετηθεί στον πυθμένα του συλλεκτήρα, τα όμβρια που συλλέγονται οδηγούνται για αποθήκευση σε δυο δεξαμενές χωρητικότητας 30 m3 η καθεμία ώστε να χρησιμοποιηθούν για το πότισμα καλλιέργειας ρίγανης κατά την αρδευτική περίοδο. Το HYDRO4, αποτελείται από δύο ξεχωριστά υποσυστήματα, με το πρώτο να αποτελεί ένα οικιακό σύστημα συλλογής όμβριων υδάτων που μαζεύει τα ύδατα από τσιμεντένιες οροφές συνολικής επιφάνειας 438 m2 και μέσω υδρορροών καταλήγουν σε δεξαμενή αποθήκευσης όγκου 70 m3 ώστε να καλύψει τις οικιακές μη πόσιμες ανάγκες των νοικοκυριών. Στο δεύτερο το νερό της βροχής συλλέγεται από την επιφανειακή απορροή εντός του οικοπέδου (επιφάνειας περίπου 350 m2) και μεταφέρεται βαρυτικά για αποθήκευση σε δεξαμενή χωρητικότητας 40 m3. Η χρήση των συλλεγόμενων υδάτων, είναι κυρίως για επαναφόρτιση του υδροφόρου ορίζοντα και ανάκτησης τους το καλοκαίρι για λόγους άρδευσης στην παρακείμενη γη (0,2 εκτάρια λεβάντας). Τέλος, στο HYDRO6 λειτουργούν 2 συστήματα που συλλέγουν τα βρόχινα από τις δομημένες επιφάνειες ενός αγροτουριστικού οικοπέδου. Το πρώτο, συλλέγει τα όμβρια ύδατα από επιφάνειες οροφών, σκαλιών και βεραντών διάφορων υλικών συνολικής επιφάνειας 204 m2 και οδηγούνται προς αποθήκευση σε ανοιχτή δεξαμενή χωρητικότητας 80 m3 με σκοπό την άρδευση βοτάνων και δέντρων. Στο δεύτερο σύστημα του HYDRO6 τα όμβρια συλλέγονται από επιφάνειες συνολικής έκτασης 297 m2 σε διαφορετικό χώρο του οικοπέδου και καταλήγουν σε κλειστή δεξαμενή 100 m3 προς αποθήκευση και πότισμα βρώσιμων φυτών κατά την αρδευτική περίοδο της εκάστοτε καλλιέργειας. Βασικός στόχος της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας ήταν η αξιολόγηση των ποιοτικών χαρακτηριστικών των υδάτων που συλλέγονται καθώς και η διερεύνηση της καταλληλότητας της ποιότητάς τους για τους σκοπούς της άρδευσης, της οικιακής μη-πόσιμης χρήσης και του εμπλουτισμού του υπόγειου υδροφορέα. Για το σκοπό αυτό, τα βρόχινα νερά ελέγχθηκαν ως προς τις φυσικοχημικές και μικροβιολογικές παραμέτρους μέσω εργαστηριακών αναλύσεων. Πιο συγκεκριμένα, μετρήθηκαν οι τιμές του pH, της ηλεκτρικής αγωγιμότητας της αλκαλικότητας, της θολότητας όπως και οι συγκεντρώσεις των ιόντων που συνήθως κυριαρχούν στα ύδατα των συστημάτων συλλογής βρόχινου νερού (Cl-, Na+, Ca2+, Mg2+, K+, SO4-2, NH4+, NO3-, NO2- και PO4-3). Επιπλέον, η μικροβιολογική ποιότητα των δειγμάτων αξιολογήθηκε με βάση τις συγκεντρώσεις σε ολικά κολοβακτηρίδια, Ε. coli και εντερόκοκκους ενώ υπολογίστηκε και ο λόγος προσρόφησης νατρίου (SAR) για τον προσδιορισμό του κινδύνου αλάτωσης του εδάφους. Μεταξύ των διαφορετικών τεχνικών συλλογής και αποθήκευσης, τα αποτελέσματα έδειξαν σημαντική απόκλιση των τιμών και των συγκεντρώσεων των εξεταζόμενων παραμέτρων. Ειδικότερα, τα όμβρια που συλλέχθηκαν από οροφές στο πρώτο υποσύστημα του HYDRO4 είχαν τις χαμηλότερες συγκεντρώσεις ιόντων και μικροοργανισμών ενώ τα βρόχινα που έρρεαν πρώτα από το έδαφος προτού αποθηκευτούν εμπλουτίζονταν περαιτέρω με μέταλλα και άλλες ουσίες που σε υψηλές συγκεντρώσεις δύναται να υποβαθμίσουν την ποιότητά τους ενώ εντός συγκεκριμένων ορίων δρουν ευεργετικά στην ανάπτυξη των φυτών. Το γεγονός αυτό αποτυπώνεται και στην τιμή της ηλεκτρικής αγωγμότητας η οποία στο σύστημα συλλογής από οροφές κινήθηκε κοτνά στα 186 μS/cm ενώ τα ύδατα που συλλέχθηκαν από την επιφανειακή απορροή των αυλών στην ίδια τοποθεσία πήραν τιμές EC κατά μέσο όρο στα 1190 μS/cm. Ομοίως σημαντική διαφορά είχε και η τιμή της θολότητας των δειγμάτων στα δυο υποσυστήματα του HYDRO4 με το πρώτο να έχει μέση τιμή 1 NTU στο σύνολο των δειγμάτων σε σχέση με τα 10 ΝTU κατά μέσο όρο στο δεύτερο. Σημαντικό ρόλο στη προαναφερθείσα διαφορά διαδραμάτισε και η εκτροπή της πρώτης έκπλυσης που φέρει μεγάλο μέρος των στερεών που συγκεντρώνονται στην επιφάνεια συλλογής κατά την περίοδο ανομβρίας. Η διαφορά της τιμής της ηλεκτρικής αγωγιμότητας μεταξύ των τριών συστημάτων ομβριοσυλλογής που παρουσιάστηκαν (737 μS/cm και 465 μS/cm κατά μέσο όρο για HYDRO3 και HYDRO6 αντίστοιχα) όπως και της περικετικότητας των υδάτων που συλλέχθηκαν σε άλατα φανερώνει την επίδραση των διαφορετικών υλικών των επιφανειών καθώς και των μεθόδων συλλογής στα ποιοτικά χαρακτηριστικά των ομβρίων. Ωστόσο, σε καμία περίπτωση κάποιο από τα ιόντα που εξετάστηκαν δεν ανιχνεύθηκε σε ποσότητα που να θεωρείται ανησυχητική για τις διάφορες χρήσεις. Ως προς την ποιοτική αξιολόγιση των υδάτων για άρδευση και σύμφωνα με το διάγραμμα του Wilcox, τα περισσότερα δείγματα κατατάχθηκαν στην κατηγορία C2-S1 (ελάχιστος κίνδυνος αλάτωσης) ενώ μερικά δείγματα όπως αυτά του 2ου υποσυστήματος του HYDRO4 που είχαν τιμές EC μεγαλύτερες των 750 μS/cm κατατάχθηκαν στην κατηγορία C3-S1 ως προς τον κίνδυνο αλάτωσης (μέτριος με περιορισμό άρδευσης σε κακώς σταγγιζόμενα εδάφη). Παρ’ όλο που στα περισσότερα δείγματα ανιχνεύθηκαν βακτήρια εντερικής προέλευσης η συγκέντρωσή τους δεν αποτέλεσε περιοριστικό παράγοντα για περιορισμένη άρδευση σε καμία των περιπτώσεων ενώ στα σημεία δειγματοληψίας όπου τα όμβρια προορίζονται για απεριόριστη άρδευση (2ο σύστημα HYDRO6), τηρήθηκαν τα σχετικά νομοθετικά όρια. Τέλος, στα συστήματα HYDRO3&4 αξιοποιήθηκαν τα δεδομένα βροχόπτωσης και καταγραφής της στάθμης των δεξαμενών για τον υπολογισμό του ακριβή όγκου νερού που συλλέγεται με τα αποτελέσματα να δείχνουν πως καλύπτεται ο στόχος που είχε τεθεί κατά το σχεδιασμό των συστημάτων.	el
heal.abstract	Within the context of the Horizon2020 EU funded project of HYDROUSA, 3 different rainwater col-lection systems are operating, 2 in the island of Mykonos (HYDRO3 & HYDRO4) and 1 in Tinos is-land (HYDRO6). These systems, collect rainwater from different collection surfaces (ground, roofs and other built-up surfaces) through appropriate techniques and store it in rainwater tanks to meet the de-mand for irrigation water during the summer months. More specifically, HYDRO3 is an underground rainwater collection system using a geomembrane and geotextile on the surface to filter rainwater at the entrance, while allowing it to pass. Then, through perforated hoses placed in the bottom of the col-lector, the collected rainwater is led for storage in two tanks with a capacity of 30 m3 each to be used for irrigation of oregano cultivation during the irrigation period. HYDRO4, consists of two separate subsystems, with the first referred as a domestic rainwater collection system that collects rainwater from concrete roofs with a total area of 438 m2 which through gutters is led in a storage tank with a volume of 70 m3 to meet the non-potable needs of households. In the second subsystem, rainwater is collected from the surface runoff inside the site (approximately 350 m2) and is being transported by gravity for storage in a tank with a capacity of 40 m3. The use of the collected water is mainly for re-charging the aquifer and their recovery in the summer for irrigation purposes in the adjacent land (0.2 hectares of lavender). Finally, HYDRO6 consists of 2 systems that collect rainwater from the built-up surfaces of an agritourism site. The first collects rainwater from roof surfaces, stairs and terraces of var-ious materials with a total surface of 204 m2 and is stored in an open tank with a capacity of 80 m3 for the irrigation of cultivated herbs and trees. In the second system of HYDRO6 the rainwater is collected from impermeable areas of 297 m2 and ends up in a closed tank of 100 m3 for storage and watering of edible plants during the irrigation period of each crop. The purpose of this master thesis was to evaluate the quality of the collected rainwater/stormwater as well as to investigate its suitability for the purposes of irrigation, non-potable domestic use and groundwater recharge. For this purpose, rainwater’s physiochemical and microbiological parameters were tested through laboratory analyzes. More specifically, the values of pH, electrical conductivity, alkalinity, turbidity as well as the concentrations of ions that usually dominate in the rainwater and stormwater samples (Cl-, Na+, Ca2+, Mg2+, K+, SO4-2, NH4+, NO3-, NO2- και PO4-3). In addition, the mi-crobiological quality of the samples was evaluated based on the concentrations of total coliforms, E. coli and enterococcus spp., while the sodium adsorption ratio (SAR) was calculated to determine the risk of soil salinization. Among the different collection and storage techniques, the results showed a significant deviation of the values and concentrations of the examined parameters. In particular, the rainwater collected from roofs in the first subsystem of HYDRO4 had the lowest concentrations of ions and microorganisms while the rainwater that first flowed from the ground before being stored was fur-ther enriched with minerals and other substances that at high concentrations can deteriorate waters quality but between certain limits act beneficially on plant growth. This fact is reflected in the value of electrical conductivity, which in the collection system from roofs was near to 186 μS/cm, while the water collected from the surface runoff of the yards at the same location reached EC values on average at 1190 μS/cm. In the same span, was the difference in the value of the turbidity of the samples in the two subsystems of HYDRO4 with the first having an average value of 1 NTU in the total of the sam-ples in relation to the 10 NTU on average in the second. The aforementioned difference can be partially attributed in the first flush diversion, which carries a large part of the solids that accumulate on the collection surface during the dry season. The difference in the value of electrical conductivity between the three rainwater harvesting systems presented (737 μS / cm and 465 μS / cm on average for HY-DRO3 and HYDRO6 respectively), as well as the concentration of water in salts shows the effect of the different surface materials and collection methods on the quality characteristics of rainwater. However, none of the ions that were analysed was detected in an amount that could be of concern for the various uses. In terms of water quality assessment for irrigation and according to the Wilcox diagram, most samples were classified in category C2-S1 (minimum salinity risk) while some samples such as those of the 2nd subsystem of HYDRO4 that had EC values greater than 750 μS/cm were classified in category C3-S1 in terms of salinity risk (moderate with limited irrigation in poorly drained soils). Although in most samples bacteria of intestinal origin were detected, their concentration was not a limiting factor for limited irrigation in any of the cases, while in the sampling points where the rainwater is intended for unlimited irrigation (2nd system of HYDRO6), the relevant legislation limits were met. Finally, in the HYDRO3 & 4 systems, the rainfall and tanks level data were used for the calculation of the exact volume of water collected with the results showing that the goal that was set during the design of the systems is met.	en
heal.advisorName	Μαλαμής, Συμεών	el
heal.committeeMemberName	Νουστόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Μαμάης, Δανιήλ	el
heal.committeeMemberName	Μαλαμής, Συμεών	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.fullTextAvailability	false