Συστήματα ήπιας διαχείρισης ομβρίων μικρής κλίμακας: βελτιστοποίηση σχεδιασμού και η επίδραση του κλίματος

Η παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία εκπονήθηκε με στόχο τη διερεύνηση της απόδοσης, ενός υποθετικού συστήματος ήπιας διαχείρισης ομβρίων, σε διαφορετικές κλιματικές συνθήκες, στο κτίριο Υδραυλικής στην Πολυτεχνειούπολη Ζωγράφου, του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. Το σύστημα συλλογής και αποθήκευσης ομβρίων που μελετάται διαθέτει δύο δεξαμενές, μια υπόγεια και μια στη στέγη, και λαμβάνει απορροή τόσο από τις στέγες του κτιρίου υδραυλικής, του εργαστηρίου υδραυλικής και του κτιρίου λιμενικών, όσο και από τις αδιαπέρατες επιφάνειες που περιβάλλουν τα παραπάνω κτίρια και οριοθετούνται από τον υδροκρίτη.

Για την εξυπηρέτηση του παραπάνω σκοπού καταστρώθηκε ένα μοντέλο ημερήσιου υδατικού ισοζυγίου, το οποίο λαμβάνει στην είσοδο δεδομένα που αφορούν σε ημερήσια ύψη βροχής και δυνητικής εξατμισοδιαπνοής, και υπολογίζει σε ημερήσιο βήμα, βάσει των εκτιμώμενων υδρευτικών και αρδευτικών αναγκών, τους αποθηκευμένους όγκους στις δεξαμενές, τις υπερχειλίσεις, τις ποσότητες νερού που προσφέρονται για υδροαρδευτική χρήση και τις αστοχίες κάλυψης της ζήτησης. Τα μετεωρολογικά δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν έχουν ληφθεί από σταθμούς σε δύο λεκάνες της Μεγάλης Βρετανίας, που εντοπίζονται κοντά στο Εδιμβούργο της Σκωτίας (χρονοσειρά 45 ετών) και το Μπράιτον της Αγγλίας (χρονοσειρά 45 ετών), σε μια λεκάνη της Γαλλίας (χρονοσειρά 6 ετών), στο Λιβάδι Παρνασσού (χρονοσειρά 45 ετών), στο Ελληνικό Αττικής (χρονοσειρά 65 ετών) και στη νήσο Αστυπάλαια (χρονοσειρά 6 ετών). Πρόκειται για περιοχές στις οποίες επικρατούν διαφορετικές κλιματικές συνθήκες, γεγονός στο οποίο στηρίχθηκε η δημιουργία έξι (6) διαφορετικών σεναρίων.

Για την αξιολόγηση του υποθετικού συστήματος συλλογής ομβρίων χρησιμοποιήθηκε ο όρος της αξιοπιστίας, ο οποίος εκφράζει την έλλειψη αστοχιών κάλυψης της ζήτησης ως προς το συνολικό μήκος της εξεταζόμενης χρονικής περιόδου, αλλά και άλλοι χρηματοοικονομικοί παράγοντες. Συγκεκριμένα εκτιμήθηκε το ετήσιο κόστος, συνυπολογίζοντας τις ετήσιες αποσβέσεις για την εγκατάσταση και αντικατάσταση των τμημάτων των διατάξεων αποθήκευσης και άντλησης του βρόχινου νερού αλλά και το ετήσιο κόστος για την αγορά και προμήθεια νερού από το συμβατικό δίκτυο, μέσω της ΕΥΔΑΠ, κάθε φορά που το σύστημα εμφάνιζε αδυναμία εξυπηρέτησης των υδατικών αναγκών της υπό μελέτη περιοχής.

Σε πρώτη φάση αναλύθηκαν τα υδρομετεωρολογικά δεδομένα στα οποία βασίστηκε κάθε σενάριο, κατασκευάζοντας διαγράμματα ημερήσιου, μηνιαίου και ετήσιου ύψους βροχής και δυνητικής εξατμισοδιαπνοής. Ενώ, παράλληλα, υπολογίστηκαν σε περιβάλλον Μatlab, αθροιστικές καμπύλες άνομβρων περιόδων τουλάχιστον 5 ημερών. Από την ανάλυση εξήχθησαν σημαντικές πληροφορίες για τις κλιματικές συνθήκες κάθε περιοχής.

Στη δεύτερη φάση, κατασκευάστηκαν, στα πλαίσια της διερεύνησης της «συμπεριφοράς» του μοντέλου, καμπύλες αξιοπιστίας και ενεργειακής απαίτησης, για κάθε κλιματική περιοχή, για 60 συνδυασμούς όγκων υπόγειας και υπέργειας δεξαμενής. Για τον υπολογισμό της ενεργειακής απαίτησης υπολογίστηκε μόνο για την υπόγεια δεξαμενή, η ημερήσια ποσότητα νερού που πρόκειται να αντληθεί αλλά και η ισχύς του αντλητικού συγκροτήματος. Τέλος, εξετάστηκαν όλα τα διαγράμματα που προέκυψαν λεπτομερώς και αναλύθηκαν οι λόγοι που οδήγησαν στα εκάστοτε αποτελέσματα.

Σε τρίτη και τελευταία φάση, διαστασιολογήθηκαν, μέσω της επίλυσης ενός προβλήματος βελτιστοποίησης, οι δεξαμενές που συγκροτούν το υποθετικό σύστημα ήπιας διαχείρισης ομβρίων. Τα βέλτιστα μεγέθη για τις δεξαμενές, υπολογίστηκαν, θέτοντας ως στόχο την ελαχιστοποίηση του ετήσιου κόστους. Τέλος, για κάθε σενάριο, έγινε σύγκριση των τιμών της αξιοπιστίας και του ετήσιου τελικού κόστους μετά τη βελτιστοποίηση, για δεδομένους όγκους δεξαμενών. Από τη σύγκριση αυτή επιβεβαιώνεται ότι, η πρακτική συλλογής ομβρίων για χρήσεις που δεν απαιτούν πόσιμο νερό, μπορεί και να αποτελέσει εξαιρετικά σημαντική δευτερεύουσα πηγή υδροληψίας υπό προϋποθέσεις. Οι προϋποθέσεις αυτές περιλαμβάνουν την ικανή προσφορά κατακρημνισμάτων. Συγκεκριμένα, η ομβροσυλλογή ενδείκνυται για περιοχές με συχνά επεισόδια βροχής και χωρίς μακρές περιόδους ανομβρίας, όπως αυτές σε Γαλλία και Ηνωμένο Βασίλειο, παρουσιάζοντας υψηλές τιμές αξιοπιστίας (>80%), έχοντας ταυτόχρονα πολύ χαμηλό ετήσιο κόστος. Τα παραπάνω είναι εφικτά ακόμη και με όχι ιδιαίτερα υψηλά ετήσια ύψη βροχής. Αντιθέτως σε περιοχές όπως το Λιβάδι Παρνασσού με υψηλά ετήσια ύψη βροχής αλλά ανομοιόμορφα κατανεμημένες βροχοπτώσεις και μεγάλες περιόδους ανυδρίας, η επίδοση των συστημάτων αυτών πέφτει δραματικά. Τέλος, η εγκατάσταση των ανωτέρω συστημάτων σε κατά βάση άνυδρες περιοχές όπως το Ελληνικό και η Αστυπάλαια, που είτε έχουν πολύ μικρά ύψη βροχής, είτε παρουσιάζουν συγκέντρωση επεισοδίων υετού μόνο σε μια εποχή του χρόνου, κρίνεται αντιοικονομική και αναξιόπιστη.