1vvedenie_v_ekologicheskoe_modelirovanie

209

Thessaloniki

Bay Area

Epanomi

Aherada

Рисунок 8.13 - Замеры глубины Залива Термайкос (в м.).

Основная климатологическая информация о регионе показана в таблицах 8.2 и 8.3. Преобладаю щие ветры – юго-восточные летом и северные – северо-западные зимой Сильные ветры (>15 m/s) нечасты и недолги, длятся о т 1 до 2х дней, обычно зимой.

Таблица 8.2 - Метеорологические характеристики Залива Термайкос: Температура в период 1930-75 (Ганулис, 1988a)

210

Таблица 8.3 - Метеорологические характеристики Залива Термайкос: Осадки в период 1930-75 (Ганулис 1988a)

Начальная разработка системы канализации в городе Салоники показана на рисунке 8.14. Рисунок показывает вер хнюю часть залива, известную как залив Салоники. Основной коллектор о тхо дов (SC) – это туннель (2м в диаметре), который нахо дится на средней глубине 20 метров. Эта труба собирает все отходы города с востока на запад. Она заканчивается на водоочистной станции (TP), расположенной недалеко от реки Галикос (рисунок 8.14). На станции используется прогрессивный метод очистки сточных во д, включающий их биоокисление . После их очистки вода спускается в реку Аксиос при помощи системы двойных труб в районе между водоочистной станцией и рекой Аксиос (рисунок 8.14). Дизайн станции был изменен в связи с возникающими проблемами качества воды. Они состоят в том, что скорость потока реки Аксиос постоянно уменьшалась за последние несколько лет, что привело к более слабому растворению сточных во д. В то же самое время, для защиты речных и прибрежных вод нужно использовать новые критерии качества во ды в соответствии с директивами Европе й- ского Союза. Прибрежная зона рядом с устьем реки считается защи т- ной зоной повышенно го значения с эко логической точки зрения. В соответствии с конвенцией RAMSA R, э та площадь является специально защищенной. Оценка загрязнения во ды в заливе дана в таблице 8.4.

211

Рисунок 8.14 - Сбор сточных вод и водоочистительная станция города Салоники

В ближайшем будущем планируется биологическая очистка всех сточных вод, а сейчас проводятся предварительные операции (1992). В течение э того переходно го периода очистка сточных вод производится в вер хней части пролива (точка PE) с помощью канавы, расположенной параллельно руслу реки Галикос (рисунок 8.14). Вли я- ние местных поселений, особенно концентрация ко лиформ изучались с помощью методик оценки риска и математического моделирования

(Ganoulis, 1991d; 1992).

Для э того были подняты такие важные вопросы, как:

a. необ ходим ли по дво дный сброс воды (S1 на рисунке 8.14);

b. если да, то где лучше его разместить;

c. каков оптимальный уровень очистки воды по отношению к возможной евтрофикации залива .

212

Таблица 8.4 Уровень загрязнения залива Салоники

Модели циркуляции во ды

Нами была разработана трехмерная гидродинамическая модель, которая имитирует циркуляцию воды под воздействием ветра на ра з- личной глубине. Гидродинамическая модель объединяет в себе уравнения Навье-Стокса в решетке с конечной разностью; она описана в обычной прямоугольной системе координат на плоскости x-y, и с помощью преображенной координаты (z )H вдоль вер ти-

кальной оси -z. H – глубина воды и - высо та повер хности.

На основе имитационного моделирования и измерений на месте были определены образцы средней циркуляции воды в зимний и ле т- ний периоды, (Ganoulis, 1988a; 1990). Приливно-о тливные течения не принимаются во внимание : общий по дъем воды во вну треннем заливе не превышает 30 см. Измерения показываю т, что летом возникает очень сильная стратификация во ды: более теплые слои остаются неподвижными, находясь над более хо лодными слоями; это приводит к возникновению о тносительно бескислородных условий на глубине. В отличие о т лета, зимой более холо дные и пло тные слои разрушают стратификацию и создаю т условия для у довлетворительно го вертикального смешения в во дном столбе. Соответственно, ху дшие условия для загрязнения создаю тся летом.

Понимание процесса циркуляции воды очень важно. Все пр е- дыдущие измерения течений с использованием плавучих якорей, дрейфующих буев и приборов для измерения течений ( Balopoulos &

213

James, 1984; Ganoulis & Koutitas, 1981) и математических моделей (Ganoulis & Koutitas, 1981; Krestenitis & Ganoulis, 1987) привели к сле-

дующим заключениям : (a) приливные течения очень малы (< 5 см/с); (b) внешняя циркуляция из Северного Э гейского моря создает течение, входящее в залив вдоль восточного побережья, создает циклонную циркуляцию; (c) все течения в основном вызваны ветрами.

Рисунок 8.15 - Трехмерная решетка, используемая в гидродина - мических подсчетах

Летом морские бризы создают остаточную циркуляцию воды , что очень типично для способа переноса загрязняющих веществ. На самом деле, э то самое важное циркуляционное состояние для адвекции загрязнителя, так как, в связи с тем, что течения малы, наблю дается большая концентрация загрязнителя. В современных математических моделях испо льзую тся гидродинамические условия устойчивого состояния, соответс твующие преобладающим ветрам.

Для оценки риска загрязнения в заливе используется модель конвективной дисперсии. Для численной интеграции необ ходимых для модели уравнений были разработаны различные численные алгори т- мы. Алгоритмы, основанные на конечной разности или конечных элементах, имеют недостатки и не учитываю т эффектов численной диффузии и концевых эффектов. Модели Лагранжа , основанные на моделировании случайного блуждания, или использование смешанного подхо да Эйлера-Лагранжа достаточно надежны для моделирования

214

конечного продукта загрязнения в заливе Термайкос ( Ganoulis, 1990, 1991а). Э ти моде ли были опробованы в по хожих случаях, где были доступны аналитические решения, и они были у тверждены с использованием собранной информации. Их приняли в качестве инструментов для изучения влияния неко торых коррективных мер на качество воды в заливе.

Оценка качества во ды

Мониторинг характеристик качества во ды и обработка инфо р- мации – основа формулировки компьютеризованных математических моделей и нахождения необ ходимых корректирующих мер для защиты окружающей среды. Основная цель э того – оценка настоящей ситуации в заливе Термайкос и анализ влияния сточных вод. Как показано на рисунке 8.16, соответствующие станции забора образцов были ра в- номерно распределены на площади залива. Исследовательское су дно «ТЕТИС» (длиной 13 м) в течение 1984 -90 обработало более 2500 образцов воды. Кроме течения и ветров, были исследованы следующие параметры возле поверхности, на средней глубине и возле дна с се зонной частотой:

(a) Температура, соленость, пло тность, концентрация растворенного кислорода, pH;

(b) Питательные вещества , такие , как NO2-, NO3-, NH4+, PO43-,

SiO44-;

(c) Общие колиформы и Е-ко ли; (d) Тяжелые металлы: Cd, Pb и Cu.

Тяжелые металлы также исследовались в донных отношениях. Изменения параметров качества во ды очень велики как во врем ени, так и в пространстве. В качестве примера приведем временные показатели содержания нитратов на станции 1, расположенной возле г. Салоники, как показано на рисунке 8.17. Э ти изменения являю тся результатом неравномерных физических условий Средиземного моря. Приливы очень низки, и циркуляция, вызванная ветром, очень нестабильна и изменяется в пространстве. Поэтому статистический анализ выполня л- ся с учетом сильных колебаний данных. На рисунке 8.18 показана контурная линия равной концентрации растворенного кислорода. Э то среднее значение в период 1984-89 на ложе моря.

215

Рисунок 8.18 - Распределение растворенного кислорода (РК) в заливе Термайкос (средние значения в период 1984-89 возле ложа моря)

(a)

(b)

217

Рисунок 8.19 - Экспериментальные результаты распределения РК возле дна залива (средние го довые значения - (a) 1992 и (b) 1991) (Ganoulis, 1988a; 1990)

Из э тих данных можно сделать заключение о статистических тенденциях к повышению загрязнения воды с юга на север (из-за высокой плотности населения) и к эстуариям рек (из-за высокой загрязняющей нагрузки). Различаются четыре зоны – от очень плохо го до отличного качества воды (Ganoulis, 1988a).

Нужно отметить (рисунки 8.18 и 8.19), что среднего довой объем растворенного кислорода был непостоянен, особенно в 1991 и 1992. Улучшение наступило в 1992, возможно, благодаря вводу в эксплуатацию в начале 1992 во доочистительной станции.

Экологически чувствительные прибрежные зоны в районе залива, которые требуют особых защитных мер, показаны на рисунке 8.20. Они включают в себя основную часть западного побережья вб лизи рек, где глубина во ды мала, и большие количества питательных веществ поступаю т из рек.

218