ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΟΜΟΙΩΜΑΤΑ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΥΔΑΤΙΝΩΝ ΟΙΚΟΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

Πληροφορίες Μαθήματος
ΤίτλοςΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΟΜΟΙΩΜΑΤΑ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΥΔΑΤΙΝΩΝ ΟΙΚΟΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ / Water Quality Mathematical Models for Ecosystems
ΚωδικόςΤΥ4900
ΣχολήΠολυτεχνική
ΤμήμαΠολιτικών Μηχανικών
Κύκλος / Επίπεδο1ος / Προπτυχιακό
Περίοδος ΔιδασκαλίαςΧειμερινή
Γνωστικό ΑντικείμενοΤΟΜΕΑΣ ΥΔΡΑΥΛΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ
ΚοινόΌχι
ΚατάστασηΕνεργό
Course ID20002171

Πληροφορίες Τάξης
ΤίτλοςΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΟΜΟΙΩΜΑΤΑ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΥΔΑΤΙΝΩΝ ΟΙΚΟΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ
Ακαδημαϊκό Έτος2019 – 2020
Περίοδος ΤάξηςΧειμερινή
Διδάσκοντες μέλη ΔΕΠ
Ώρες Εβδομαδιαία3
Class ID
600155482

Πρόγραμμα Τάξης

ΚτίριοPolytechnic - Hydraulics
ΌροφοςFloor 1
ΑίθουσαΑΙΘΟΥΣΑ ΣΥΝΕΔΡΙΑΣΕΩΝ (230)
ΗμερολόγιοThursdsay 12:00 to 15:00
Τύπος Μαθήματος 2011-2015
Εμβάθυνσης / Εμπέδωσης Γνώσεων
Τρόπος Παράδοσης
  • Πρόσωπο με πρόσωπο
Ηλεκτρονική Διάθεση Μαθήματος
Προαπαιτήσεις
Γενικές Προαπαιτήσεις
Θεωρείται ότι οι φοιτητές του μαθήματος αυτού έχουν βασικές γνώσεις μηχανικής ρευστών, υδραυλικής κλειστών και ανοικτών αγωγών, υδροδυναμικής, ροών με ελεύθερη επιφάνεια, περιβαλλοντικής υδραυλικής, τεχνικής ποταμών, παράκτιας/θαλάσσιας τεχνικής, και παράκτιας (φυσικής) ωκεανογραφίας.
Μαθησιακά Αποτελέσματα
Με την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος, οι φοιτητές θα είναι σε θέση να κατανοήσουν τις διεργασίες και τα χαρακτηριστικά των οικολογικών συστημάτων επιφανειακών υδάτων και να έχουν καθορίσει τις έννοιες των βιότοπων, των βιοκοινοτήτων, των αυτότροφων – ετερότροφων οργανισμών, και των τροφικών επιπέδων. Θα είναι σε θέση επίσης να γνωρίζουν σε βάθος τα φυσικά και βιοχημικά φαινόμενα των υδατικών οικοσυστημάτων (ποταμών, λιμνών, παράκτιων ζωνών, εστουάρων και θαλάσσιων μαζών) με έμφαση στα φαινόμενα της αναέρωσης, της απορρόφησης, της (μοριακής και τυρβώδους) διάχυσης, μεταφοράς, διασποράς, διάλυσης/αραίωσης και της καθίζησης ρυπαντικού φορτίου σε υδάτινους αποδέκτες. Ακόμα θα είναι σε θέση να γνωρίζουν τα βιοχημικά φαινόμενα των υδάτινων οικοσυστημάτων που υπόκεινται την επίδραση ρυπαντικών φορτίων, όπως τη βιολογική και χημική ζήτηση οξυγόνου, τη συμπεριφορά των μικροοργανισμών, την παραγωγή βιομάζας, τη βιοαποσύνθεση, τη νιτροποίηση – απονιτροποίηση, τον ευτροφισμό, τη φωτοσύνθεση, την αναπνοή, και την αναεροβίωση. Ένας ακόμα στόχος είναι η επικέντρωση στην κατανόηση των φυσικών διεργασιών μεταφοράς και διασποράς υγρών αποβλήτων (αστικών λυμάτων) σε υδάτινους αποδέκτες (ποταμούς, λίμνες και θαλάσσιο περιβάλλον). Σκοπός είναι οι φοιτητές να εξοικειωθούν με τις έννοιες των φλεβών και των πλουμίων υγρών αποβλήτων και τις ακόλουθες διεργασίες διάλυσης και αραίωσής τους σε στρωματωμένους και ομογενείς υδάτινους αποδέκτες. Ειδικά σκοπός είναι η μετάδοση της γνώσης των μηχανισμών της ανάμιξης και αραίωσης στο κοντινό και το μακρινό πεδίο για συντηρητικούς και μη ρύπους, και η εκμάθηση των υπολογιστικών διαδικασιών για τον υδραυλικό σχεδιασμό συστήματος υποβρύχιας διάθεσης υγρών λυμάτων σε θάλασσες και λίμνες και των επιμέρους τμημάτων του (διαχυτήρας, υποβρύχιος αγωγός, φρεάτιο φόρτισης κ.λπ.). Η διδασκαλία του μαθήματος στοχεύει επιπρόσθετα στη μετάδοση της εξειδικευμένης γνώσης των γενικευμένων και ολοκληρωμένων υδροδυναμικών εξισώσεων που συνθέτουν τα μαθηματικά ομοιώματα διάχυσης/διασποράς/ανάμιξης ρυπαντών και ποιότητας του νερού σε υδάτινα οικοσυστήματα. Σκοπός είναι η απόκτηση ικανότητας εκτίμησης παραμέτρων με βάση τις προδιαγραφές και τη νομοθεσία ποιότητας των (χερσαίων) επιφανειακών και θαλάσσιων υδάτων, ώστε να είναι ικανοί να συνεισφέρουν ως Μηχανικοί στη βελτίωση και τον έλεγχο της ποιότητας υδάτων σε οικοσυστήματα. Τελικός και πιο σημαντικός στόχος είναι η τεχνική εξοικείωση των φοιτητών με υπολογιστικά εργαλεία, αριθμητικούς αλγόριθμους και κώδικες υδροδυναμικών προσομοιώσεων ποιότητας υδάτινων μαζών σε περιβάλλοντα Fortran, Matlab, Excel, Visual Basic και η σωστή παρουσίαση των αποτελεσμάτων σε κατάλληλης μορφής διαγράμματα, γραφήματα και απεικονίσεις. Συνακόλουθα υπάρχει η πεποίθηση ότι μετά την επιτυχή διεκπεραίωση του μαθήματος, οι φοιτητές θα είναι σε θέση να ανταποκριθούν με άνεση στις απαιτήσεις περαιτέρω εξειδίκευσης σε Μεταπτυχιακά Προγράμματα Σπουδών ή ερευνητικά σε επίπεδο εκπόνησης Διδακτορικής Διατριβής. Ακόμα σκοπός είναι να μπορούν να ανταπεξέλθουν στις απαιτήσεις σύνθεσης μελετών σε ιδιωτικά επαγγελματικά γραφεία και επιχειρήσεις αλλά και δημόσιες υπηρεσίες. Οι αποκτηθείσες γνώσεις και ικανότητες από το μάθημα θα μπορούν να εξασφαλίζουν την άνεση απόδοσης στη μετέπειτα επαγγελματική πορεία των φοιτητών και την εξοικείωσή τους με συνεργατικές προσπάθειες στο χώρο εργασίας τους.
Γενικές Ικανότητες
  • Εφαρμογή της γνώσης στην πράξη
  • Αναζήτηση, ανάλυση και σύνθεση δεδομένων και πληροφοριών, με τη χρήση και των απαραίτητων τεχνολογιών
  • Λήψη αποφάσεων
  • Ομαδική εργασία
  • Εργασία σε διεπιστημονικό περιβάλλον
  • Σχεδιασμός και διαχείριση έργων
  • Σεβασμός στο φυσικό περιβάλλον
  • Προαγωγή της ελεύθερης, δημιουργικής και επαγωγικής σκέψης
Περιεχόμενο Μαθήματος
Υδάτινα οικοσυστήματα. Οικολογικά συστήματα εσωτερικών επιφανειακών υδάτων και παράκτιων θαλάσσιων περιοχών. Βιότοποι. Βιοκοινότητες. Αυτότροφοι - ετερότροφοι οργανισμοί. Τροφικά επίπεδα. Φυσικοχημικά φαινόμενα υδατικών οικοσυστημάτων. Αναέρωση. Απορρόφηση. Βιοχημικά φαινόμενα χερσαίων και παράκτιων υδατικών οικοσυστημάτων. Φορτία ρυπαντών. Βιολογική και χημική ζήτηση οξυγόνου. Μικροοργανισμοί. Παραγωγή βιομάζας. Βιοαποσύνθεση. Νιτροποίηση - απονιτροποίηση. Ευτροφισμός. Φωτοσύνθεση. Αναπνοή. Αναεροβίωση. Χημικές και βιοχημικές διεργασίες στο θαλάσσιο περιβάλλον. Διαλυμένα αέρια. Οργανικό υλικό. Σωματιδιακό και διαλυμένο οργανικό υλικό. Έμβιοι θαλάσσιοι οργανισμοί. Θρεπτικά άλατα. Φωτοσύνθεση – Πρωτογενής παραγωγή. Η διεργασία της φωτοσύνθεσης. Εποχικότητα πρωτογενούς παραγωγικότητας. Άνθιση φυτοπλαγκτού. Τροφικό επίπεδο. Τροφική αλυσίδα: οι κύκλοι άνθρακα, οξυγόνου και θρεπτικών αλάτων στο θαλάσσιο περιβάλλον. Ποιότητα νερών κολύμβησης. Οδηγία-πλαίσιο για το νερό. Φυσικές διεργασίες σε υδάτινους αποδέκτες. Μοριακή διάχυση κατά Fick. Τυρβώδης διάχυση. Μεταφορά. Συμπαράσυρση. Μεταγωγή. Συναγωγή. Διασπορά λόγω διατμητικής ροής. Ανάμιξη αιωρημάτων και διαλυμάτων. Διάλυση και αραίωση ρυπαντικών φορτίων. Καθίζηση. Ανωστικές Φλέβες. Τυρβώδεις φλέβες και πλούμια. Βιοαποδόμηση. Ανάμιξη σε ποταμούς. Ανάμιξη σε υδατοδεξαμενές, λεκάνες και λίμνες. Ανάμιξη σε εστουάρες (ποταμόκολπους). Ανάμιξη στο θαλάσσιο περιβάλλον με έμφαση στην παράκτια ζώνη. Στρωμάτωση. Υδροδυναμική κυκλοφορία σε ποταμούς, λίμνες και θάλασσες. Το σύστημα ατμόσφαιρας-νερού. Ηλιακή ακτινοβολία. Θερμικό ισοζύγιο. Εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία. Επανεκπεμπόμενη ακτινοβολία. Εξάτμιση. Διάδοση φωτός σε θάλασσες και λίμνες. Γενικές υδροδυναμικές εξισώσεις κυκλοφορίας. Εξισώσεις 1-D ροής σε ποτάμια συστήματα. 2-D (μέσες κατά το βάθος) και 3-D εξισώσεις υδροδυναμικής κυκλοφορίας σε λίμνες και θάλασσες. Εξισώσεις Saint-Venant, Euler και Navier-Stokes. Εξισώσεις συνέχειας και ορμής. Μαθηματικά ομοιώματα ποιότητας. Εκτίμηση παραμέτρων. Παραμετρικά και στοχαστικά μοντέλα. Μοντέλα περισσότερων εξισώσεων. Αριθμητικοί αλγόριθμοι. Μεταφορά και ανάμιξη διαλυμάτων και αιωρημάτων σε υδάτινους αποδέκτες και οικοσυστήματα. Το μαθηματικό μοντέλο διάχυσης και διασποράς. Συντελεστές οριζόντιας και κατακόρυφης ανάμιξης. Επίδραση της στρωμάτωσης της στήλης του νερού στην κατακόρυφη ανάμιξη. Σταθερότητα στρωμάτωσης βάσει του αριθμού Richardson. Επίδραση στρωμάτωσης στην ταχύτητα καθίζησης. Όροι πηγής και απώλειας διαλύματος και αιωρήματος. Μεταφορά-διασπορά φερτών υλών με χρήση της μεθόδου του ιχνηθέτη. Μεταφορά και διάχυση ρύπων – ποιότητα υδάτων. Αποδομήσιμοι ρύποι. Επίλυση εξισώσεων μονοδιάστατης μεταφοράς αποδομήσιμου ρύπου. Σχεδιασμός συστημάτων (υποβρυχίων αγωγών) διάθεσης αστικών λυμάτων και υγρών αποβλήτων σε υδάτινους αποδέκτες. Γενική περιγραφή των συστημάτων διάθεσης υγρών λυμάτων, στόχοι και απαιτήσεις σχεδιασμού. Έργα διάθεσης υγρών αποβλήτων. Υπολογισμός αρχικής αραίωσης στο κοντινό περιβάλλον. Κυλινδρική δέσμη (εκροή από μία οπή). Γραμμική δέσμη (εκροή από διαχυτήρα). Εκροή σε ομογενές και ακίνητο περιβάλλον. Εκροή σε στρωματωμένο και ακίνητο περιβάλλον βαθιών νερών. Εκροή παρουσία ρεύματος. Εκροή σε γραμμικά στρωματωμένο περιβάλλον και υπολογισμός διάλυσης στην περίπτωση ύπαρξης θαλασσίων ρευμάτων. Δευτερογενής αραίωση λυμάτων εκροής στο μακρινό πεδίο λόγω μεταφοράς, διασποράς και βιοαποδόμησης ρύπων. Σχεδιασμός υποβρύχιων αγωγών διάθεσης λυμάτων. Βασικές αρχές σχεδιασμού και διαστασιολόγησης αγωγού και διαχυτήρα. Υδραυλικός υπολογισμός διαχυτήρα και χαρακτηριστικών των εκροών. Υγειονολογικοί έλεγχοι ποιότητας υδάτινου αποδέκτη. Κατασκευαστικά παραδείγματα αγωγών διάθεσης λυμάτων. Υπολογιστικά εργαλεία και μαθηματικά ομοιώματα. Παραδείγματα από έτοιμα πακέτα λογισμικού: HEC-HMS (MUSLE), QUAL2K, DHI’s MIKE, ECO Lab, CORMIX, Visual Plumes, ELCOM-CAEDYM, ECOSIM-POM, κ.λπ. Υπολογιστικά εργαλεία διαλύσεων ρυπαντικού φορτίου αστικών λυμάτων από σύστημα υποβρύχιας διάθεσης υγρών αποβλήτων στο θαλάσσιο περιβάλλον (διαλύσεις ρυπαντικού φορτίου αστικών λυμάτων από διαχυτήρα και αγωγό διάθεσης με μία οπή στο κοντινό και μακρινό πεδίο). Υπολογιστικό εργαλείο υδραυλικού σχεδιασμού διαχυτήρα και φρεατίου φόρτισης συστήματος υποβρύχιας διάθεσης υγρών αποβλήτων. Μοντέλα ποιότητας φυσικών υδατορευμάτων (κυριότεροι αριθμητικοί αλγόριθμοι). Επίλυση μεταφοράς-διασποράς με μοντέλο ιχνηθέτη. Προδιαγραφές ποιότητας επιφανειακών υδάτων. Διεθνείς και εθνικές προδιαγραφές και νομοθεσία. Βελτίωση και έλεγχος ποιότητας επιφανειακών και θαλάσσιων υδάτων.
Τύποι Εκπαιδευτικού Υλικού
  • Σημειώσεις
  • Διαφάνειες
  • Βιβλίο
  • Ηλεκτρονικό Ακαδημαϊκό Σύγγραμμα
Χρήση Τεχνολογιών Πληροφορίας και Επικοινωνιών
Χρήση Τ.Π.Ε.
  • Χρήση Τ.Π.Ε. στη Διδασκαλία
  • Χρήση Τ.Π.Ε. στην Επικοινωνία με τους φοιτητές
Περιγραφή
Θα γίνει χρήση διαφανειών με οπτικό υλικό (εικόνες και βίντεο) για την παρουσίαση της θεωρίας, των πρακτικών εφαρμογών και των ασκήσεων. Θα γίνει εκτενής χρήση του «ελεύθερα» διατιθέμενου Ηλεκτρονικού Ακαδημαϊκού Συγγράμματος των Κρεστενίτης Γ.Ν., Κομπιάδου Κ.Δ., Μακρής Χ.Β., Ανδρουλιδάκης Γ.Σ., Καραμπάς Θ.Β. (2015) με τίτλο «Παράκτια Μηχανική – Θαλάσσια Περιβαλλοντική Υδραυλική» από τη σελίδα του Κάλλιπου στον ηλεκτρονικό σύνδεσμο: https://repository.kallipos.gr/handle/11419/2789?locale=en. Θα γίνει χρήση των πρότυπων υπολογιστικών μοντέλων και κωδίκων σε γλώσσα FORTRAN και των υπολογιστικών εφαρμογών Excel με αλγορίθμους VBA που συνοδεύουν το παραπάνω σύγγραμμα, διατιθέμενα μέσω των ηλεκτρονικών συνδέσμων: https://repository.kallipos.gr/handle/11419/2795 και http://edusoft.civil.auth.gr/ Θα μοιραστεί στους φοιτητές ολόκληρη η (ελληνική και ξενόγλωσση) Βιβλιογραφία του μαθήματος σε μορφή pdf και djvu για τη διευκόλυνση της μελέτης. Θα γίνει χρήση της πλατφόρμας e-learing του ΑΠΘ καθώς και του ftp του Διδάσκοντα για την ελεύθερη διακίνηση πληροφοριών, ανακοινώσεων και υλικού σχετικά με το μάθημα. Θα γίνει χρήση των Η/Υ του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών για τη χρήση υπολογιστικών κωδίκων από τους φοιτητές και διεξαγωγής των απαραιτήτων προσομοιώσεων. Θα μοιραστούν κατάλληλοι open-source compilers για γλώσσα προγραμματισμού FORTRAN. Θα δοθούν υπολογιστικές εφαρμογές για τη σωστή παρουσίαση των αποτελεσμάτων σε κατάλληλης μορφής διαγράμματα, γραφήματα και 2-D απεικονίσεις.
Οργάνωση Μαθήματος
ΔραστηριότητεςΦόρτος ΕργασίαςECTSΑτομικάΟμαδικάErasmus
Διαλέξεις1073,8
Εξετάσεις50,2
Σύνολο1124
Αξιολόγηση Φοιτητών
Περιγραφή
Βασικός στόχος είναι η κρίση/βαθμολόγηση των φοιτητών να γίνεται με βάση την εβδομαδιαία επαφή τους με το υλικό των παραδόσεων του μαθήματος και την εξέλιξη της εργασίας του εξαμήνου και όχι να κριθούν από την απόδοσή τους σε ολιγόωρη γραπτή εξέταση. Συνεπώς, στο πέρας του εξαμήνου θα εξεταστεί προφορικά η παραδοθείσα από τους φοιτητές εργασία (Θέμα) στα πλαίσια 3ωρου παρουσιάσεων των εργασιών των ομάδων στο κοινό. Η τελική βαθμολογία θα υπολογιστεί ως εξής: - Θέμα/Εργασία 60% ορθότητα/πληρότητα υπολογισμών 40% + προσπάθεια/συμμετοχή στο μάθημα 10% + πρωτοτυπία υπολογιστικών κωδίκων 10% - Προφορική εξέταση 20% πάνω στο Θέμα/Εργασία 10% + θέματα γενικότερης κατανόησης του μαθήματος 10% - Παρουσίαση 20% κατανόηση εργασίας διδακτέας ύλης 10% + άνεση στην παρουσίαση και απάντηση ερωτήσεων του κοινού 10%
Μέθοδοι Αξιολόγησης Φοιτητών
  • Γραπτή Εργασία (Διαμορφωτική, Συμπερασματική)
  • Προφορική Εξέταση (Συμπερασματική)
  • Δημόσια Παρουσίαση (Συμπερασματική)
Βιβλιογραφία
Επιπρόσθετη βιβλιογραφία για μελέτη
Κρεστενίτης Γ.Ν., Κομπιάδου Κ.Δ., Μακρής Χ.Β., Ανδρουλιδάκης Γ.Σ., Καραμπάς Θ.Β. (2015). Παράκτια Μηχανική – Θαλάσσια Περιβαλλοντική Υδραυλική, Ελληνικά Ακαδημαϊκά Ηλεκτρονικά Συγγράμματα και Βοηθήματα, Κάλλιπος, Αθήνα. Link: https://repository.kallipos.gr/handle/11419/2789?locale=en Τσακογιάννης Ι.Α. (1985). Εισαγωγή στη Μοντελοποίηση της Ρύπανσης των Φυσικών Ρευμάτων, Πανεπιστημιακές Σημειώσεις ΑΠΘ, Θεσσαλονίκη. Αλμπάνης Τ. (2009). Ρύπανση και τεχνολογίες προστασίας περιβάλλοντος, Εκδόσεις Τζιόλα, Θεσσαλονίκη. Ανδρεαδάκης (2007). Διάθεση λυμάτων στη θάλασσα, Σημειώσεις ΔΠΜΣ ΕΜΠ. Αντωνόπουλος Β. Ζ., (2003). Υδραυλική περιβάλλοντος και ποιότητα επιφανειακών υδάτων. Εκδόσεις Γιαχούδη, Θεσσαλονίκη. Ασσαέλ I.Μ., Κακοσίμος Ε.Κ., Αντωνιάδης Κ., Παναγιωτόπουλος Κ. (2013). Μεταφορά μάζας σε περιβαλλοντικές διεργασίες. Εκδόσεις Τζιόλα. Κρεστενίτης, Γ.Ν. (2009). Παράκτια Τεχνικά Έργα, Πανεπιστημιακές Σημειώσεις ΑΠΘ, Θεσσαλονίκη. Κουτίτας ΧΓ (1994). Εισαγωγή στην Παράκτια Τεχνική και τα Λιμενικά Έργα, Εκδ. Ζήτη, Θεσσαλονίκη. Κωτσοβίνος, Αγγελίδης (2004). Διάθεση Εκροών Υγρών Αποβλήτων. Κεφάλαιο 5 του Βιβλίου Διαχείριση Αστικών Υγρών Αποβλήτων. Παπανικολάου Π.Ν. (2009). Τυρβώδεις Ανωστικές Φλέβες – Πεδίο Αποβλήτων, Διδακτικές Σημειώσεις στα πλαίσια του μαθήματος ‘Περιβαλλοντική Υδραυλική’ του ΔΠΜΣ ΕΠΙΣΤΗΜΗ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΔΑΤΙΚΩΝ ΠΟΡΩΝ, ΕΜΠ, Αθήνα. Benedini Μ., and Tsakiris G. (2013). Water Quality Modelling for Rivers and Streams. Water Science and Technology Library, Vol. 70, Springer. Chapra, S.C., (1997). Surface Water Quality Modelling. Waveland Press, Illinois. Chin D. A. (2006). Water-Quality Engineering In Natural Systems. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey. Fischer, H.B., List, E.J., Koh, R.C.Y, Imberger, J., & Brooks, N. (1979). Mixing in Inland and Coastal Waters, Academic Press, New York. Ji Z.G. (2008). Hydrodynamics and Water Quality Modeling Rivers, Lakes, and Estuaries. John Wiley & Sons, Inc. Kachiashvili K.J. and Melikdzhanian D.Y. (2012). Advanced modeling and computer technologies for fluvial water quality research and control. Nova Science Publishers, Inc. Lee, J.H.-W., & Chu, V. (2003). Turbulent Jets and Plumes: A Lagrangian Approach, Kluwer Academic Publishers. Wood IR, Bell RG & Wilkinson L (1993). Ocean disposal of wastewater, Advanced Series on Ocean Engineering, Vol. 8, Ed. PLF Liu, World Scientific Press
Τελευταία Επικαιροποίηση
30-05-2018