Current state of implementation of Nature - based Solutions to address water quality challenges

Pipini, Magdalini Ιο; Πιπίνη, Μαγδαληνή Ιώ

dc.contributor.author	Pipini, Magdalini Ιο	en
dc.contributor.author	Πιπίνη, Μαγδαληνή Ιώ	el
dc.date.accessioned	2025-05-15T07:26:42Z
dc.date.available	2025-05-15T07:26:42Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/61895
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.29591
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	Τεχνητοί υγρότοποι	el
dc.subject	Λίμνες σταθεροποίησης	el
dc.subject	Πράσινες στέγες	el
dc.subject	Εδαφική εφαρμογή λυμάτων	el
dc.subject	Φυσικά συστήματα	el
dc.subject	SuDs	en
dc.subject	NbS	en
dc.subject	Treatment wetlands	en
dc.subject	Stabilization ponds	en
dc.subject	Roftop and vertical greening	en
dc.subject	Land treatment	en
dc.subject	Natural infrastructure	en
dc.title	Current state of implementation of Nature - based Solutions to address water quality challenges	en
dc.title	Διαχείριση της ποιότητας του υδάτινου περιβάλλοντος μέσω φυσικών συστημάτων: Χαρακτηριστικά των υφιστάμενων λύσεων και πλαίσιο εφαρμογής	el
heal.type	masterThesis
heal.generalDescription	Nature-based Solutions (NbS) leverage the power of nature to address environmental, societal, and economic challenges by providing sustainable and efficient approaches for ecosystem management and restoration. Recognized as essential for tackling issues such as climate change, biodiversity loss, and water security, NbS includes a diverse range of actions like reforestation, wetland restoration, and sustainable agriculture. These solutions work by enhancing ecosystem services that support human well-being and biodiversity, offering adaptive, effective and efficient paradigm shift while fostering resilience in both natural and urban landscapes. The scope of this thesis is to conduct a comprehensive investigation of NbS with focus on water related concepts, examining their definitions, typologies, and frameworks across various scales and settings. Following a top – down series of steps from general to specific, NbS approaches that allocate facility provisions in water related challenges were investigated (Figure 1). These approaches distinguished for detailed study were “Natural Infrastructure” and Blue – Green Infrastructure. Natural Infrastructure are natural ecosystems that through concervation and restoration approaches can provide enhanced provisioning and regulating ecosystem services and function as infrastructure for people and societies living in proximity. Green – Blue Infrastructure have a clear technical orientation, focusing on interventions that can mimic natural processes and provide a variety of created ecosystem services. These NbS categories and their solutions were examined through the lens of integrated water management, with focus on water quality aspects. To preserve the multifaceted nature of NbS, co – benefits of all described solutions were outlined. To place these solutions in the current set up of NbS concept, a conscientious depiction of current state in policy, research and practice of NbS in the EU and international context was attempted. International and EU policy (esp. EU R&I policy agenda on NbS), financial mechanisms (esp. internationally and EU – funded grants and PPPs), networking and institutional cooperation, local governance and stakeholders’ engagement, management in the whole NbS life cycle and knowledge development and transition (esp. based on transboundary actors, and showcasing through pilot projects, living labs and online repositories). Following this approach, this thesis is structured in four sections. Section 1 provides the scope and the general outline of the thesis. Section 2 initially describes the concept and illustrates the broad interdisciplinary spectrum of NbS. Different orientations in NbS concept development are spotted and explained. Initiating from the review of enablers and barriers for NbS mainstreaming, the implementation framework with its main policy, financing, institutional, governance, managerial and knowledge transition components is depicted. Section 3 is developed in two chapters to examine Natural and Blue – Green Infrastructure. Natural Infrastructures are briefly described given the extent and the ecological aspects of such solutions. An overview of benefits and main challenges for upscale are summarized for different ecosystems, with focus on waterbodies. The focal point of the study is Blue – Green Infrastructure. Feasibility, water purification processes, and preliminary standards for implementation are covered. Each chapter provides factsheets that guide the reader among different typologies of the same infrastructure category, highlighting variations that can be adopted for the delivery of a specific solution and key design aspects to be considered. Each NbS category section can serve as a handbook to assist decision making by practitioners, to incorporate different NbS typologies in wider NbS schemes.	en
heal.classification	Διαχείριση ποιότητας υδάτων	el
heal.classification	Stormwater and wastewater treatment	en
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2024-11-06
heal.abstract	Nature-based Solutions (NbS) are gaining recognition as vital tools for tackling water quality challenges and addressing broader environmental concerns. This study employs a broad-to-specific methodology, beginning with an exploration of the overarching NbS framework before narrowing down to technical solutions like natural treatment systems. A significant focus is placed on the implementation framework, including critical elements such as policies, financial mechanisms, governance structures, stakeholder engagement, and knowledge dissemination. Additionally, the research examines the pivotal role of international organizations and multilateral cooperation in enabling or hindering the development of NbS at both regional and global scales. At the core of this research is an investigation into the role of NbS in water quality regulation, with a particular focus on engineered solutions discussed in Chapter 3. These solutions, integrated within the blue-green infrastructure framework, are diverse and multifunctional. They are designed not only to directly address water quality issues but also to provide co-benefits that enhance environmental and societal resilience. The study delves into a variety of systems, each tailored to specific water management needs and environmental conditions. Land treatment systems, such as slow-rate and rapid infiltration systems and overland flow systems, utilize natural processes to filter pollutants and manage water sustainably. Similarly, pond systems, including anaerobic, aerated, facultative, and high-rate algal ponds, address specific water treatment needs while supporting ecological functions. Constructed wetlands, from horizontal and vertical flow systems to floating and intensified wetlands, provide advanced pollutant removal and ecosystem restoration. In urban settings, Sustainable Urban Drainage Systems, including bioretention cells, bioswales, detention ponds, and infiltration basins, mitigate runoff and urban flooding while improving water quality. Rooftop-based NbS, such as green, blue, and wetland roofs, along with vertical greening systems like green walls, enhance urban water management, biodiversity, temperature regulation and sustainability. The study underscores the importance of sound design principles, operational requirements, and appropriate environmental conditions to ensure the successful implementation of these systems. A key theme throughout is the multifunctionality of NbS, which extends beyond water quality improvement to include benefits such as flood mitigation, biodiversity enhancement, carbon sequestration, and strengthened climate resilience. These attributes position NbS as comprehensive solutions that address interconnected environmental and societal challenges. Finally, the research advocates for a holistic approach to water resource management by integrating engineered systems with natural infrastructure. This integration maximizes the synergies between technical functionality and ecological processes, paving the way for scalable and adaptable solutions. By emphasizing supportive frameworks—ranging from policy innovation to community engagement—the study highlights the pathways for broader adoption of NbS, contributing to sustainable water management and environmental resilience across diverse landscapes.	en
heal.abstract	Τα φυσικά συστήματα επεξεργασάις αναγνωρίζονται όλο και περισσότερο ως ζωτικής σημασίας εργαλεία για την αντιμετώπιση των προκλήσεων ποιότητας του νερού και την αντιμετώπιση ευρύτερων περιβαλλοντικών ζητημάτων. Η παρούσα μελέτη χρησιμοποιεί μια μεθοδολογία από το γενικό στο ειδικό, ξεκινώντας με την εξερεύνηση του συνολικού πλαισίου των NbS πριν επικεντρωθεί σε τεχνικές λύσεις που αποτελούν φυσικά συστήματα επεξεργασίας. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στο πλαίσιο υλοποίησης, συμπεριλαμβανομένων κρίσιμων στοιχείων, όπως οι πολιτικές, οι χρηματοδοτικοί μηχανισμοί, οι δομές διακυβέρνησης, η εμπλοκή των ενδιαφερομένων και η διάδοση της γνώσης. Επιπλέον, η έρευνα εξετάζει τον καθοριστικό ρόλο των διεθνών οργανισμών και της πολυμερούς συνεργασίας στην υποστήριξη ή την παρεμπόδιση της ανάπτυξης των NbS σε περιφερειακή και παγκόσμια κλίμακα. Στο επίκεντρο της έρευνας βρίσκεται η διερεύνηση του ρόλου των NbS στη ρύθμιση της ποιότητας του νερού, με ιδιαίτερη έμφαση σε συστήματα επεξεργασίας που συζητούνται στο Κεφάλαιο 3. Αυτές οι λύσεις, ενσωματωμένες στο πλαίσιο της μπλε-πράσινης υποδομής, είναι ποικίλες και πολυλειτουργικές. Έχουν σχεδιαστεί όχι μόνο για να αντιμετωπίζουν άμεσα ζητήματα ποιότητας του νερού, αλλά και για να παρέχουν συν-οφέλη που ενισχύουν την περιβαλλοντική και κοινωνική ανθεκτικότητα. Η μελέτη εμβαθύνει σε ένα εύρος συστημάτων, καθένα από τα οποία προσαρμόζεται στις συγκεκριμένες ανάγκες διαχείρισης του νερού και στις περιβαλλοντικές συνθήκες. Τα συστήματα εδαφικής διάθεσης, όπως τα συστήματα αργής και γρήγορης διήθησης και τα συστήματα επιφανειακής ροής, χρησιμοποιούν φυσικές και βιοχημικές διεργασίες για τη συγκρατηση και την βιοαποδόμηση ρύπων και τη κυκλική διαχείριση του νερού. Παρομοίως, οι λίμνες σταθεροποίησης, όπως οι αναερόβιες, αεριζόμενες, επαμφωτερίζοντες και συστήματα με άλγη καλύπτουν συγκεκριμένες ανάγκες επεξεργασίας αποβλήτων ενώ υποστηρίζουν οικολογικές λειτουργίες. Τα τεχνητά υγροτόπια επιτυγχάνουν μέιωση του ρυπαντικού φορτίου των λυμάτων και αποκατάσταση οικοσυστημάτων. Στα αστικά περιβάλλοντα, τα βιώσιμα συστήματα διαχείρισης της όμβριας απορροής, όπως τα κύτταρα βιοσυγκράτησης, οι βιοκλιματικές τάφροι, οι λιμνοδεξαμενές και οι δεξαμενές διήθησης, μετριάζουν την απορροή και τις πλημμύρες ενώ βελτιώνουν την ποιότητα του νερού. Λύσεις NbS που βασίζονται σε οροφές, όπως οι πράσινες, οι μπλε και οι υγροτοπικές οροφές, καθώς και κάθετες πράσινες λύσεις όπως οι πράσινοι τοίχοι, ενισχύουν τη διαχείριση του νερού στις πόλεις, τη βιοποικιλότητα, τη ρύθμιση της θερμοκρασίας και τη βιωσιμότητα. Η μελέτη υπογραμμίζει τη σημασία υγιών αρχών σχεδιασμού, λειτουργικών απαιτήσεων και κατάλληλων περιβαλλοντικών συνθηκών για την επιτυχή υλοποίηση αυτών των συστημάτων. Ένα βασικό θέμα καθ’ όλη τη διάρκεια είναι η πολυλειτουργικότητα των NbS, η οποία εκτείνεται πέρα από τη βελτίωση της ποιότητας του νερού και περιλαμβάνει οφέλη όπως η μείωση πλημμυρών, η ενίσχυση της βιοποικιλότητας, η δέσμευση άνθρακα και η ενισχυμένη κλιματική ανθεκτικότητα. Αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούν τα NbS ολοκληρωμένες λύσεις που αντιμετωπίζουν διασυνδεδεμένες περιβαλλοντικές και κοινωνικές προκλήσεις. Τέλος, η έρευνα προτείνει μια ολιστική προσέγγιση στη διαχείριση των υδάτινων πόρων μέσω της ενσωμάτωσης μηχανικών συστημάτων με φυσικές υποδομές. Αυτή η ενσωμάτωση μεγιστοποιεί τις συνέργειες μεταξύ τεχνικής λειτουργικότητας και οικολογικών διεργασιών, ανοίγοντας το δρόμο για λύσεις που είναι επεκτάσιμες και προσαρμόσιμες. Δίνοντας έμφαση σε υποστηρικτικά πλαίσια—από την καινοτομία πολιτικών μέχρι τη συμμετοχή της κοινότητας—η μελέτη αναδεικνύει τις διαδρομές για την ευρύτερη υιοθέτηση των NbS, συμβάλλοντας στη βιώσιμη διαχείριση των υδάτων και την περιβαλλοντική ανθεκτικότητα σε διαφορετικά τοπία.	el
heal.advisorName	Μαμάης, Δανιήλ	el
heal.advisorName	Mamais, Danos	en
heal.committeeMemberName	Μαλαμής, Συμεών	el
heal.committeeMemberName	Malamis, Simos	en
heal.committeeMemberName	Chondros, Michail	en
heal.committeeMemberName	Χονδρός, Μιχαήλ	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	300 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false