ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΟΜΟΙΩΜΑΤΑ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΥΔΑΤΙΝΩΝ ΟΙΚΟΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

Εμβάθυνσης / Εμπέδωσης Γνώσεων

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.

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.

30-05-2018