1 / 38

Veden laadun suunnittelu

Veden laadun suunnittelu. Vesistösuunnittelu 23.3.2007 Ari Jolma. Sisältö. Johdanto jossa tarkastellaan mm. vesistön säännöstelyä, kun veden laatu on tärkeä tilamuuttuja Veden laadun simulointi

sveta
Download Presentation

Veden laadun suunnittelu

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Veden laadun suunnittelu Vesistösuunnittelu 23.3.2007 Ari Jolma

  2. Sisältö • Johdanto • jossa tarkastellaan mm. vesistön säännöstelyä, kun veden laatu on tärkeä tilamuuttuja • Veden laadun simulointi • tarkastellaan veden laatua suunnitteluongelmana ja sen simulointia jokivesistössä (hydrauliikan & aineiden kulkeutumisen kertausta) • Lineaarinen ohjelmointi • esitellään optimointimenetelmä, jolla voidaan mm. hakea halvinta tapaa jokivesistön veden laadun saamiseksi normien mukaiseksi

  3. Monen altaan säännöstely • altaiden yhteistoiminta • minimi- ja maksimijuoksutukset • altaiden vedenkorkeudet • veden laatu altaissa

  4. Monen altaan säännöstely käytännössä, esimerkki: NYC • 4 isoa tekoallasta Catskills –vuoristossa • altaiden valuma-alueilta tulevan hajakuormituksen minimointi • Useita pieniä altaita lähempänä NYC:tä • Tila & tilansiirto: • altaiden varastot • vedenpintojen korkeudet • altaiden veden laatu • sääennuste • tulovirtaama & kuormitus valuma-alueilta • veden tarve • alempien varastojen tila, veden kulutus

  5. Veden laadun simulointi • Kuormituksen ja veden laadun välisen yhteyden laskemista • Mitä on kuormitus ja mitä ominaisuuksia sillä on? • Mitä tarkoitetaan veden laadulla? • Voidaanko yhteys osoittaa ja kuinka vahva se on? • Miksi?

  6. Kuormitus • Kuormituksen lähde • Teollisuus, yhdyskunnat, haja-asutus, maatalous, ilmalaskeuma, loma-asutus, metsätalous, pienet asiat • Kuormituksen tyyppi • Rehevöittävä (ravinteet), Toksinen, Väri (humus), Lämpö • Pistekuormitus vs. Hajakuormitus • ero ei aina ole selvä! • Kuormituksen vaihtelu ajassa • Teollisuuslaitos: esim. vuorokausirytmi • Esim. valunnan mukana pellolta

  7. Veden laatu 1. mittaaminen vaikeutuu • Fysikaalis-Kemiallinen laatu • esim. happipitoisuus tai hapenkulutus mitattuna KMnO2-lukuna • esim. väri (humuksesta johtuva) • esim. lämpötila, pH • Biologinen laatu (termi?) • esim. ravinnepitoisuus, kasviplanktonin määrä, • Ekologinen tila • Eliöstön määrä ja vaihtelu • <- fysikaalis-kemiallinen laatu, fysikaaliset seikat (virtaukset yms), jne

  8. Veden laatu 2. • Veden laadun vaihtelu ajassa • vuorokausi-, vuodenaikais- • Rajoittava tekijä • esim. minimihappipitoisuus

  9. Veden laatu 3. • Veden laadun vaihtelu paikassa • x,y,z • virtaukset • kerrostuneisuus

  10. Veden laatu 4. • Veden laadun normit • normit olosuhteille vesiympäristössä • esim. minimihappipitoisuus, alivirtaamaaikana, paikassa xy • kuka vastaa jos normeja rikotaan? • Normit kuormittajille • kuormituksen laatu • kuormituksen määrä • tasapuolisuus (alueittain, aloittain jne) • jos maksat, saat kuormittaa?

  11. Kuormituksen ja veden laadun yhteys järvessä • - prosessit ja kuormi- • tuksen synty valuma- • alueella • prosessit järvessä • sedimentoituneiden • ravinteiden vapautuminen

  12. Toimenpiteet valuma-alueella • Pienpuhdistamot • Laskeutusaltaat • Kosteikot • Toimenpiteet maatiloilla • Erilaiset suodattimet • Veden kierrätys • Viljelytekniset toimenpiteet • Kuivatukseen liittyvät menetelmät • Suoja-alueet ja –vyöhykkeet • jne Nämä kaikki rehevöitymisen torjumiseen lisää järven kunnostus -luennolla

  13. Toimenpiteet järvessä • Hoitokalastus • vaikutetaan ravintoketjuun • vaikutetaan tiettyihin lajeihin • ylläpito ja tuloksen vakauttaminen? • Fysikaalis-Kemialliset käsittelyt • hapetus • pohjan peitto • fosforin saostus • kallista, hoitaa oiretta lisää järven kunnostus -luennolla

  14. Kuormituksen ja veden laadun yhteys jokivesistössä hajakuormitus pistekuormitus sekoittuminen vedenottopaikka kriittinen habitaatti

  15. Instituutiot • Eri toimijatahot • Eri rahoittajatahot • Eri hyötyjätahot • Lait ja muut säädökset • Koulutus ja tiedotus • Apua tutkimuksessa/projekteissa: sosiologit, antropologit, taloustieteilijät, ...

  16. Kustannukset • Kustannusten minimointi edellyttää luonnollisesti tietoa kustannuksista: investointikustannukset käyttökustannukset € c

  17. Vedenlaatumallit • 1. Mallintamisen tarkoitus? • tässä: veden laadun suunnittelu • Yleensä, vesistösysteemi on: • 3-ulotteinen • dynaaminen (ajassa vaihteleva) • stokastinen (satunnaissuureita) • epävarmuutta sisältävä • kaikkien prosessien merkitystä yms. ei tunneta

  18. Olettamukset 1. • Vakio-olosuhteet • T, Q, yms eivät muutu ajassa • Kuormitus on vakio • Deterministinen • Kuormitus tunnetaan • 1-dimensioinen tilanne (joki)

  19. Aineiden kulkeutumisen mekanismit • Advektio • veden mukana • Dispersio • “sekoittuminen” • Reaktion myötä • esim. biologinen hajoaminen • esim. sedimentoituminen

  20. Perusmääritelmät & olettamuksia • Nopeus [m/s] • oletetaan vakionopeus koko uoman poikkileikkauksessa [m2] • Virtaama • nopeus • poikkileikkaus [m3/s] • Konsentraatio • aineen massa tilavuudessa [mg/l] • Kuormitus (massavuo) • konsentraatio * virtaama [kg/vrk] • kuormitus yleensä: veden laatu, virtaama

  21. Jokivesistö uomaelementeistä elementtiin menee tietyn laatuista vettä tietyllä virtaamalla elementin sisällä tapahtuu tiettyjä prosesseja solmuissa oletetaan täydellinen ja yht’äkkinen sekoittuminen elementistä tulee vettä samalla virtaamalla kuin sinne meni mutta laatu on eri elementin (ei elementtien!) ominaisuudet (poikkileikkaus yms.) oletetaan vakioiksi

  22. Virtaama vs. veden nopeus 1. • Kaavat aina empiirisiä • Chezy: • u = veden nopeus • C = uoman karkeuskerroin (korkea sileille, matala karkeille) • R = hydraulinen säde (poikkileikkauksen suhde märkäpiiriin)

  23. Virtaama vs. veden nopeus 2. • Manning: • n = Manningin kerroin • oli miten oli, kaava voidaan kirjoittaa • a ja b parametreja

  24. Massatasapaino näillä olettamuksilla reaktio advektio dispersio c = konsentraatio [mg/l] Ex = dispersiokerroin (empiirinen) [m2/s] k(c) = funktio, joka esittää aineen poistumista/tuloa uomaelementtiin reaktioiden seurauksena

  25. Dispersio & u vs. t • Oletetaan että dispersio on merkityksetöntä • Todetaan, että vakionopeudella matkasta saadaan aika kertomalla se jollain vakiolla

  26. O2 O2 Streeter-Phelps Streeter, H.W. and Phelps, E.B, Study of the pollution and natural purification of the Ohio river, U.S. Public Health Service, Washington D.C., Bulletin N0. 146, 1925 Ilma Lika-aine Vesi lika-aine = happea kuluttava aine -> happivajaus

  27. Lika-aineen vaikutus happipitoisuuteen hapen siirtyminen ilmasta veteen = luontainen puhdistuminen c x = t

  28. Matemaattisesti lika-aineen hajoaminen c1 = BOD k1 = hajoamisnopeus happitasapaino c2 = happivaje k2 = hapen siirtymis-nopeus ilmasta veteen Huom: k1 ja k2 voidaan asettaa elementtikohtaisesti

  29. Huomautuksia • Sedimentin vaikutus • Parametrien arvot riippuvat esim. lämpötilasta • Vain happi! • Toimii yleensä • Yhtälön ratkaisu esim. Mathematicalla

  30. Laajennus dL(t) / dt = - k1L(t) dCNH4(t) / dt = - k3CNH4(t) dCNO3(t) / dt = k3CNH4(t) - k4CNO3(t) dD(t) / dt = k1L(t)+ k5k3CNH4(t)- H-1k2D(t)+H-1k6 dCTP(t) / dt = - H-1k7CTP(t) k3 ammoniumin hajoamisnopeus [1/vrk] k4 nitraatin häviönopeus [1/vrk] k5 happimäärä, joka tarvitaan hapettamaan 1 g ammonium-typpeä [~4,57 g] k6 sedimentin hapentarve [m*mg/vrk] k7 kokonaisfosforin sedimentoitumisnopeus [m/vrk] H on uoman syvyys [m]

  31. c1 = T c0 + b c0 on vedenlaatuvektori uoman alussa c1 on vedenlaatuvektori uoman lopussa T on siirtokerroinmatriisi b on vektori (tarvitaan jos käytetään happipitoisuutta happivajeen sijasta) Yhtälö veden laadun muutokselle uomaelementissä Huom: lineaarinen yhtälöryhmä

  32. Lineaarinen ohjelmointi (LP) On maksimoitava tai minimoitava päätösmuuttujien polynomisummaa: max (tai min) y = cTx Siten että: Ax  b xi > 0 A, b ja c ovat parametrimatriisi ja vektorit x on päätösmuuttujavektori y on kohdefunktion arvo

  33. Malli • Päätösmuuttujat? • Pistekuormitus (käytännössä suunnitteluvaihtoehto eli diskreetti -kokonaisluku- arvo) • Kohdefunktio? • Kustannus • Vedenlaatuindeksi • Rajoitukset? • Vedenlaatumalli • Vesitase

  34. Sekalukuoptimointi - mixed integer linear programming: MILP • (Jokin tai jotkin) päätösmuuttuja voidaan pakottaa kokonaisluvuksi • Binäärinen päätösmuuttuja saa joko arvon 0 tai 1 • = kokonaislukupäätösmuuttuja, joka lisäksi on pakotettu pienemmäksi tai yhtäsuureksi kuin yksi

  35. LP käytännössä • MILP Mallinnuskieli (kääntäjä) matriisimuoto (tms.) (ratkaisija) ratkaisu • Mallinnuskieli: • 1. määrittelyt • 2. kohdefunktio • 3. rajoitukset • ajatuksena on, että kohdefunktio ja rajoitukset voidaan kirjoittaa mahdollisimman ongelmaläheisellä tavalla ja että mallin käyttö (ja uudelleenkäyttö) on mahdollisimman helppoa

  36. Linearisointi • Konveksin kohdefunktion • linearisointi Hyöty b x1 x2 x3 x4 Päätösmuuttuja x

  37. (jatkoa...) Linearisointi • funktion linearisointi y x1 x2 x3 x4 x

More Related