Διαχείριση ομβρίων υδάτων σε αστικό περιβάλλον με τη χρήση οικολογικών μεθόδων και φρεατίων νέας τεχνολογίας

Abstract

Today, not only urbanization, which has contributed to the phenomenon of impermeable surfaces’ creation for a large percentage of the areas, but also the general climate change, have both negatively affected, deteriorating the current situation. As a result, in Greece, Europe and worldwide, a common concern has been created, regarding flood management in urban areas, to a small and large scale, as the approaches applied so far have not yielded the desirable results. Therefore, it is considered imperative to develop actions and strategies capable of limiting these phenomena, as well as their negative effects and offering cities flood protection, even in extreme weather events. The current PhD study moves in this direction, with the development of a new policy regarding stormwater management, which combines the development of innovation in stormwater collection and conveyance networks and the effective application of ecological methods. In more detail, as far as ecological methods are concerned, the combined use of these with the proposed innovation is highlighted. Some of the methods chosen to be analyzed in the current Thesis are the rain gardens, green roofs, tree box filters, bioretention areas, infiltration trenches, permeable pavers and pavements, which are expected to function in addition to the stormwater drainage network. In terms of the proposed innovation, this PhD study introduces the invention of a new mechanism for stormwater management in existing and under-construction networks, whether those are separated or combined, which is based on the fundamental principles of hydraulics. Its basic principle is the temporary storage of stormwater in the structure of the system itself (through this mechanism), with its deposition taking place after some time in the network, in a natural way, without pumps and artificial means. A proposal that will "exploit" the natural properties, will not make use of additional energy, but instead will utilize the energy of water. Also, the network itself will have the ability to store a significant volume of water, to avoid overflows, without requiring additional concrete structures. Applying this innovation will "break the peak" into two (or more) smaller manageable "peaks", preventing the entire volume of water produced as a result of rain from meeting at the same time. The ultimate goal of the proposed approach to stormwater management is to avoid flooding, so as to protect the urban environment and reduce the risk during peak times. In addition, the development of ecological methods (e.g. rain gardens, green roofs) in the application areas, can also contribute to upgrading of the urban and peri-urban landscape. In the current PhD Thesis, after the presentation of the innovative approach to stormwater management, with a combination of ecological methods and the proposed innovation, two simulations were developed, through which the benefits of the proposal were thoroughly highlighted. The climatic conditions considered are those prevailing in the city of Thessaloniki. The tools that were used to obtain reliable and accurate results and conclusions are Microsoft Excel spreadsheets and the EPA public software (United States Environmental Protection Agency) Storm Water Management Model (SWMM). Furthermore, the need for stormwater management of the cities and especially the historical centers was the reason to develop in this PhD Thesis one more simulation, concerning the urban runoff in the historical center of Thessaloniki. Its ultimate goal was the extraction of fruitful conclusions and its basic tools were the Modified Rational Method and the free hydraulic model HEC-RAS. Also, the current PhD Thesis presents specialized solutions and proposals, which can be applied either at the local level of a Municipality, City, Region or throughout the territory, providing a wider, better quality and integrated management in the field of stormwater management and sustainable development. Finally, in the current PhD Thesis, an extensive presentation and highlighting of points is made, for the immediate application and development of ecological methods in the city of Thessaloniki, which aims to contribute substantially to its stormwater management.

Σήμερα, η αστικοποίηση, η οποία συντέλεσε στο φαινόμενο της "αδιαβροχοποίησης" μεγάλου ποσοστού του εδάφους, καθώς και η γενικότερη κλιματική αλλαγή έχουν λειτουργήσει αρνητικά, δυσχεραίνοντας την υπάρχουσα κατάσταση. Αυτό είχε ως απόρροια, στην Ελλάδα, στην Ευρώπη αλλά και παγκόσμια, να δημιουργηθεί ένας κοινός προβληματισμός που αφορά τη διαχείριση των πλημμυρών στα αστικά κέντρα, μικρής και μεγάλης κλίμακας, καθώς οι μέχρι τώρα προσεγγίσεις δεν απέδωσαν τα βέλτιστα. Συνεπώς, θεωρείται επιτακτική ανάγκη, η ανάπτυξη δράσεων και στρατηγικών ικανών να περιορίσουν αυτά τα φαινόμενα, καθώς και τις αρνητικές τους επιπτώσεις και να προσφέρουν στις πόλεις "αντιπλημμυρική θωράκιση", ακόμα και σε ακραία καιρικά φαινόμενα. Η παρούσα διδακτορική διατριβή κινείται σε αυτή την κατεύθυνση, με την ανάπτυξη μιας πρωτοποριακής πολιτικής προσέγγισης διαχείρισης ομβρίων υδάτων, η οποία συνδυάζει την ανάπτυξη καινοτομίας στα δίκτυα συλλογής και μεταφοράς ομβρίων και την αποτελεσματική εφαρμογή των οικολογικών μεθόδων. Πιο αναλυτικά, όσον αφορά τις οικολογικές μεθόδους, αναδεικνύεται η συνδυαστική χρήση αυτών με την προτεινόμενη καινοτομία αλλά και μεταξύ τους. Μερικές από τις μεθόδους που επιλέχθηκαν να αναλυθούν στη διατριβή είναι οι κήποι βροχής, τα φυτεμένα δώματα, οι δενδροδόχοι και οι λωρίδες βιοκατακράτησης, οι τάφροι διήθησης, τα υδροπερατά πεζοδρόμια και οδοστρώματα, που αναμένεται να λειτουργήσουν συμπληρωματικά στο δίκτυο απορροής όμβριων υδάτων. Η προτεινόμενη καινοτομία αφορά έναν πρωτότυπο μηχανισμό διαχείρισης ομβρίων υδάτων στα υφιστάμενα και στα υπό κατασκευή δίκτυα, είτε είναι χωριστικά είτε είναι παντορροϊκά, η οποία βασίζεται στις θεμελιώδεις αρχές της υδραυλικής. Συγκεκριμένα, η φιλοσοφία και η μεθοδολογία που αναπτύσσει, είναι η προσωρινή αποθήκευση ομβρίων υδάτων στην ίδια τη δομή του συστήματος (μέσω του μηχανισμού αυτού), με την απόθεσή τους να πραγματοποιείται μετά από κάποιο χρονικό διάστημα στο δίκτυο με τρόπο φυσικό, χωρίς αντλίες και τεχνητά μέσα. Μία πρόταση που θα "εκμεταλλεύεται" τις φυσικές ιδιότητες, δεν θα κάνει χρήση πρόσθετης ενέργειας, αλλά αντιθέτως θα αξιοποιεί την ενέργεια του νερού. Επίσης, το ίδιο το δίκτυο θα έχει τη δυνατότητα αποθήκευσης σημαντικού όγκου νερού, προς αποφυγή υπερχειλίσεων, δίχως να απαιτούνται επιπλέον κατασκευές από σκυρόδεμα. Με την εφαρμογή αυτής της καινοτομίας θα "σπάει η αιχμή" σε δύο (ή περισσότερες) μικρότερες "αιχμές" αντιμετωπίσιμες, αποτρέποντας όλον τον όγκο νερού που θα παραχθεί ως αποτέλεσμα της βροχής να συναντηθεί την ίδια χρονική στιγμή. Απώτερος σκοπός της προτεινόμενης πολιτικής προσέγγισης διαχείρισης όμβριων υδάτων, είναι η αποφυγή των πλημμυρικών φαινομένων, έτσι ώστε να προστατευθεί το αστικό περιβάλλον και να μειωθεί ο κίνδυνος σε στιγμές αιχμής. Επιπλέον, η ανάπτυξη των οικολογικών μεθόδων (π.χ. κήποι βροχής, φυτεμένα δώματα) στις περιοχές εφαρμογής, μπορεί να προάγει και την ανάδειξη του αστικού και περιαστικού τοπίου. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αφού πραγματοποιήθηκε η παρουσίαση της προτεινόμενης πολιτικής προσέγγισης διαχείρισης όμβριων υδάτων με συνδυασμό των οικολογικών μεθόδων και της προτεινόμενης καινοτομίας, αναπτύχθηκαν δύο εφαρμογές-προσομοιώσεις, μέσα από τις οποίες αναδείχθηκαν σε βάθος τα οφέλη της πρότασης. Οι κλιματικές συνθήκες, που ελήφθησαν υπ΄ όψιν, είναι αυτές που επικρατούν στην πόλη της Θεσσαλονίκης. Τα εργαλεία που χρησιμοποιήθηκαν για την απόκτηση αξιόπιστων και ακριβών αποτελεσμάτων και συμπερασμάτων, είναι τα υπολογιστικά φύλλα Microsoft Excel και το δημόσιο λογισμικό της EPA (United States Environmental Protection Agency) Storm Water Management Model (SWMM). Ακόμη, η ανάγκη για αντιπλημμυρική θωράκιση των πόλεων και ειδικότερα των ιστορικών κέντρων ήταν ο λόγος να αναπτυχθεί στην παρούσα διδακτορική διατριβή μία ακόμη προσομοίωση, που αφορά την αστική απορροή στο ιστορικό κέντρο της Θεσσαλονίκης. Απώτερος σκοπός της η εξαγωγή γόνιμων συμπερασμάτων και βασικά εργαλεία της η τροποποιημένη ορθολογική μέθοδος (Modified Rational Method) και το ελεύθερης πρόσβασης υδραυλικό μοντέλο HEC-RAS. Επίσης, η παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζει εξειδικευμένες λύσεις και προτάσεις, που μπορούν να εφαρμοσθούν είτε σε τοπικό επίπεδο Δήμου, Πόλης, Περιφέρειας είτε και σε όλη την επικράτεια, παρέχοντας μια ευρύτερη, ποιοτικότερη και ολοκληρωμένη διαχείριση στο πεδίο των αντιπλημμυρικών έργων και της αειφόρου και βιώσιμης ανάπτυξης. Τέλος, στην παρούσα διδακτορική διατριβή γίνεται μία εκτενής παρουσίαση και ανάδειξη σημείων, για άμεση εφαρμογή και ανάπτυξη οικολογικών μεθόδων στην πόλη της Θεσσαλονίκης, που στόχο έχει να συμβάλει ουσιαστικά στην αντιπλημμυρική θωράκισή της.