Izvorni znanstveni rad Original Scientific Paper UDK 628.2 ...2 G. Lončar i sur. NUMERIČKA ANALIZA PRONOSA EFLUENTA IZ PODMORSKOG ISPUSTA Hrvatske vode 18(2010) 71 1-12 1. UVOD U

1

G. Lončar i sur. NUMERIČKA ANALIZA PRONOSA EFLUENTA IZ PODMORSKOG ISPUSTA

Hrvatske vode 18(2010) 71 1-12

Provedeno je numeričko modeliranje pronosa efluenta nastalog

radom podmorskog ispusta sa modelima Cormix i Mike 3.

Cilj istraživanja je definiranje odgovarajuće parametrizacije u

modelskim analizama pronosa skalarnih polja kroz iznalaženje

odgovarajućih koeficijenata turbulentne difuzije. Istraživanje je

fokusirano na širenje efluenta u području daleke zone, do 1000 m

nizvodno od mjesta pridneno upuštanog efluenta. Širenje fronte

efluentnog oblaka uzduž promatrane dionice referencirano je na

rezultate modela Cormix, a vrijednosti koeficijenata turbulentne

difuzije u lateralnom smjeru, korištene u modelu Mike 3,

baždarene su prema tim rezultatima.

Analiza je provedena u pravokutnim numeričkim kanalima širine

1 500 m sa dubinama 30 m i 40 m. Vertikalni profili brzina u

modelskom kanalu su jednoliki i barotropni, uzduž promatrane

dionice, sa vertikalno usrednjenim vrijednostima od 0,05 m/s

i 0,10 m/s. Korišteni vertikalni profili temperatura, saliniteta i

gustoća morskog recipijenta dobiveni su sintezom rezultata iz

nekoliko nacionalnih i međunarodnih programa monitoringa na

području Jadrana. Promatrani efluent tretiran je kao biološki

nerazgradiv (traser).

Sa analiziranim rasponima vrijednosti hidrauličkih i geometrijskih

obilježja difuzora, protoka upuštanja i hidrografskih karakteristika

morskog recipijenta, obuhvaćane su bitne karakteristike procesa

pronosa efluenta, nastalog radom podmorskog ispusta u zimskom

i ljetnom periodu na području hrvatskog priobalja.

Izvorni znanstveni rad Original Scientific Paper UDK 628.2(262.3)Primljeno (Received): 11. 7. 2009. Prihvaćeno (Accepted): 7. 1. 2010.

NUMERIČKA ANALIZA PRONOSA EFLUENTA IZ PODMORSKOG ISPUSTADoc. dr. sc. Goran Lončar,

dipl. ing. građ. Građevinski fakultet

Sveučilišta u Zagrebu Kačićeva 26, 10000 Zagreb

[email protected]

Miroslav Matković, dipl. ing. građ.

Hrvatske vode, VGO Sava Ul. grada Vukovara 220,

10000 Zagreb

Prof. dr. sc. Vladimir Andročec, dipl. ing. brod.

Građevinski fakultet Sveučilišta u Zagrebu

Kačićeva 26, 10000 Zagreb

Ključne riječi: podmorski ispust, daleka zona, CORMIX, MIKE 3

2



1. UVOD

U procesu pronosa efluenta kroz akvatičku sredinu, od mjesta upuštanja do nekog nizvodnog profila, mijenjaju se i dominantni čimbenici u mehanizmu miješanja. Zbog toga se uvode termini bliske (engl. near-field) i daleke (engl. far-field) zone (Fisher i dr., 1979.). Pri analizi širenja efluenta, nastalog radom podmorskog ispusta, bliska zona pokriva područje upuštanja iz difuzora i područje odizanja efluenta do horizontalne prepreke (piknoklinski sloj ili vodno lice). Tada dolazi do nizvodnog širenja u područje daleke zone (slika 1). Na početku daleke zone još uvijek je važan utjecaj preostale razlike u gustoći, a na većim nizvodnim udaljenostima miješanje se odvija kroz pasivnu difuziju. U cijelom području daleke zone značajan utjecaj na dinamiku koncentracije promatranog efluenta, osim 3D polja strujanja, može imati i atmosfera putem djelovanja vjetra i utjecaja solarne radijacije (Akar i Jirka, 1994.). Odabirom projektnog rješenja moguće je utjecati na intenzitet miješanja i razrjeđenja inicijalno ubačenog efluenta u području bliske zone, no u podučju daleke zone čovjek nema direktan upliv na proces miješanja efluenta i recipijenta.

Pri uspostavi 2D ili 3D modela daleke zone pojavljuje se i problem izbora odgovarajućih vrijednosti koeficijenata turbulentne difuzije, kako u vertikalnom tako i u horizontalnom smjeru. Prva sustavna istraživanja utjecaja vertikalnih gradijenata gustoće akvatičkih sredina, na kinematski koeficijent turbulentne viskoznosti i turbulentne difuzije u vertikalnom smjeru, započeli su Munk i Anderson (1948.). Osim spomenutih autora značajniji doprinos dali su i Fischer i sur. (1979.) te Odd i Rodger (1978.). Međutim, vrijednosti horizontalnog koeficijenta turbulentne difuzije u tokovima sa izraženim horizontalnim gradijentom gustoće, poput fronte efluentnog oblaka u dalekoj zoni, nisu literaturno publicirane.

Konstante usvojene u numeričkoj implementaciji modela Cormix oslanjaju se na veliki broj eksperimentalnih istraživanja. Stoga se njegovi rezultati u slučaju jednostavne geometrije analiziranog toka mogu smatrati pouzdanim. Pri tome se primarno misli na rezultate širenja oblaka efluenta u horizontalnom smjeru u području daleke zone. Osim širine efluentnog oblaka, sa rezultatima modela Cormix, definirane su i visine (debljine) te samo srednje koncentracije u profilima efluentnog oblaka. Prema tome, osnovni nedostatak modelskih rezultata je odsustvo jasno definirane vrijednosti koncentracija na fronti, rubu efluentnog oblaka.

Presjeci efluentnog oblaka dobiveni sa modelom Mike 3 imaju formu dvodimenzionalnih polja koncentracija sa graduiranim promjenama. Primjenom rezultata modela Mike 3 i usporedbom sa rezultatima modela Cormix, moguće je definirati i odgovarajuće vrijednosti koncentracija na rubovima efluentnog oblaka u modelu Cormix.

Prema navedenom definiran je i slijed istraživanja. Prvotno se provodi analiza širenja u području bliske zone sa modelom Cormix. Rezultati lateralnog širenja dobiveni modelom Cormix koriste se za baždarenje horizontalnih koeficijenata turbulentne difuzije upotrebljenih u modelu Mike 3. Nakon provedbe baždarenja i proračuna, sa usvojenim odgovarajućim vrijednostima koeficijenata turbulentne difuzije u modelu Mike 3, rezultati se koriste za definiranje koncentracija na vertikalnim frontama efluentnih oblaka dobivenih modelom Cormix.

Proračun pronosa pridneno upuštenog efluenta kroz blisku zonu i zonu tranzicije proveden je samo sa modelom Cormix.

2. ULAZNI PODACI

U ovom radu usvojena su hidraulička i geometrijska obilježja difuzora podmorskih ispusta sa rasponima vrijednosti reprezentativnim za difuzorske dionice sustava javnih odvodnji, koje su prisutne ili se planiraju za izvedbu u području hrvatskog priobalja (Androcec i sur., 2009.). Analizirane duljine difuzora su Ldif = 50 m; 100 m; 200 m. Za spomenute duljine difuzora analiziran

Razrjeđenja i geometrijska obilježja efluentnog oblaka na kraju bliske zone ili zone tranzicije moguće je definirati fizikalnim ili numeričkim modelom. U slučaju odabira numeričkih modela uobičajena je upotreba modela bliske zone, poput modela Cormix (www.mixzone.com). Modelima bliske zone jednostavno se obuhaćaju osnovna fizička obilježja difuzora (promjer, duljina, udaljenost sapnica, promjer sapnica, orjentacija sapnica i difuzora prema prevalentnim recipijentnim strujama). Rezultati koncentracija i geometrija efluentnog oblaka na kraju bliske zone ili zone tranzicije, dobiveni sa modelima bliske zone, koriste se za inicijaciju polja koncentracija u 2D ili 3D numeričkim modelima, poput modela Mike 21 ili Mike 3, a kako bi se provela daljnja analiza pronosa u području daleke zone. Sa takvim pristupom modeliranju izbjegava se vrlo gusta proračunska mreža u 2D ili 3D numeričkim modelima na području bliske zone, a čime se znatno ubrzava i vrijeme proračuna.

Slika 1: Područje bliske zone i zone tranzicije u daleku zonu

3



je slučaj sa konstantnim udaljenostima između sapnica od Lsap =10 m, a čime je dobiven i ukupan broj sapnica po difuzoru od nsap = 6; 11; 21 (Fischer i sur., 1979.; Wood i sur., 1993.). Promjer sapnica je jednak u svim analiziranim slučajevima i jednolik je uzduž difuzora te iznosi dsap = 0,1 m. Brzina istjecanja iz sapnica, u svim provedenim analizama, također je konstantna i iznosi vsap = 2,5 m/s. Prema tome, iz difuzora se upušta efluent sa ukupnim protocima kroz difuzore od Qdif = 0,118 m

3/s (Ldif = 50 m); 0,216 m3/s (Ldif = 100 m); 0,412m

3/s (Ldif = 200 m). Za analizu pronosa efluenta u području bliske

zone bitno je poznavanje hidrografskih značajki mora. Primarno značenje imaju vertikalne raspodjele temperatura, saliniteta i gustoća mora. Ukoliko se interes zadrži na području hrvatskog priobalja, primarno je potrebno uočiti sličnosti i/ili razlike u akvatorijalnim područjima zapadne obale Istre, Kvarnera-Kvarnerića, kanalskog sustava srednjeg Jadrana (područje Zadra i Šibenika) i južnog Jadrana (područje Splitskog, Bračkog, Hvarskog, Neretvanskog kanala).

Sustavno istraživanje termohalinih svojstava mora na oceanografskoj postaji RV001, smještenoj 1 Nm od Centra za istraživanje mora Instituta Ruđer Bošković u Rovinju, provodi se od 1921. godine do danas. Zbog toga se rezultati mjerenja na toj postaji mogu smatrati referentnim za definiranje godišnje promjenjivosti tih svojstava uz zapadnu obalu Istre (Andročec i sur., 2009.). Na slici 2 prikazani su srednji sezonski hod temperature i saliniteta mora za odabrane slojeve za razdoblje 1921.-2005.

Za termohalinu kategorizaciju dijela obalnih voda u području kanalskih sustava Kvarnera-Kvarnerića

te srednjeg i južnog Jadrana, referencirali smo se na rezultate dugogodišnjeg monitoringa u tom području (Andročec i sur., 2009.). Osim kroz provedbu kontinuiranih nacionalnih programa monitoringa, Projekt Jadran i Projekt Vir-Konavle, značajan doprinos skupu relevantnih podataka ostvaren je tijekom perioda 2002.-2003. (www.izor.hr/adricosm) te tijekom 2007.-2008. (Androcec i sur., 2009.). U navedenim periodima intenzivno i sustavno su provođena mjerenja sa CTD sondama na većem broju oceanografskih postaja (slike 3 i 4).

Prema navedenom, definirani su referentni profili temperatura, saliniteta i gustoća za područja zapadne obale Istre, Kvarnera-Kvarnerića, područja zadarskog i šibenskog priobalnog akvatorija te za Splitski-Brački-Hvarski kanal i za Neretvanski kanal tijekom zimskog i ljetnog perioda (slika 5). Prikazani profili zimskog perioda definiraju stanje mora karakteristično za ožujak. Prikazani profili ljetnog perioda definiraju stanje mora karakteristično za lipanj i srpanj. Ovakav izbor profila

Slika 2: Vrijednosti temperature i saliniteta mora uz srednje vrijednosti (statistički model; pune linije) površinskog, srednjeg i pridnenog sloja postaje RV001 (1 nM od Rovinja) za razdoblje 1921. - 2005.

Slika 3: Pozicije oceanografskih postaja na kojima je provođeno intenzivno mjerenje vertikalnih profila temperatura, saliniteta i gustoća sa CTD sondama na području južnog Jadrana u periodu 2002.-2003. (www.izor.hr/adricosm)

Slika 4: Pozicije oceanografskih postaja na kojima je provođeno mjerenje vertikalnih profila temperatura, saliniteta i gustoća sa CTD sondama (kružići crvene i plave boje) tijekom perioda 2008.-2009. (Androcec i sur., 2009.)

4



Slika 5: Referentni profili temperatura, saliniteta i reduciranih gustoća za područja zapadne obale Istre, Kvarnera-Kvarnerića, područja zadarskog i šibenskog priobalnog akvatorija te za Splitski-Brački-Hvarski kanal i za Neretvanski kanal tijekom zimskog i ljetnog perioda

5



ljetnog perioda je na strani sigurnosti, obzirom da se u lipnju i srpnju mogu očekivati jednaka opterećenja morskog recipijenta sa efluentima iz podmorskih ispusta kao i u kolovozu, kada je zbog jače izražene stratifikacije odizanje efluentnog oblaka prema površini mora još više suspregnuto.

Kako se sa slike 5 može uočiti, tijekom zimskog perioda vertikalni profil gustoća je homogen sa približno jednakom vrijednosti reduciranih gustoća na svim područjima (sT = 29 kg/m

3). Zbog toga su numeričke analize pronosa za zimski period provedene uz usvajanje vertikalno homogene gustoće mora sa vrijednosti sT = 29 kg/m3.

Razlika u gustoći između efluenta i recipijenta, kao posljedica razlika u temperaturi i salinitetu, najbitniji je generator pronosa u području bliske zone. No, bez obzira na razlike u profilima saliniteta i temperatura, pronos ima potpuno jednake karakteristike, ukoliko je profil gustoća jednak. Interesantno je uočiti da su

referentni ljetni profili reduciranih gustoća za sva navedena područja, izuzev Neretvanskog kanala, vrlo slični od dubina 15 m do dna (slika 6). Razlike u gustoći povećavaju se sa približavanjem površini, primarno kao posljedica razlike u intenzitetu kratkovalnog zračenja po područjima. Zbog slatkovodnog utoka rijeke Neretve u Neretvanskom kanalu, stratifikacija je prisutna i tijekom zimskog perioda.

Zbog prisustva stratifikacije, odizanje efluentnog oblaka od dna prema površini se prekida pri dosezanju sloja neutralne gustoće u kojem oblak efluenta nastavlja svoje širenje u horizontalnoj ravnini. Sloj neutralne gustoće nalazi se na dubinama većim od 15 m (Andročec i sur., 2009.) pa se za potrebe proračuna profil reducirane gustoće može aproksimirati linearnom funkcijom od dna do površine (slika 6).

3. PROVEDENE ANALIZE

Analizira se razrjeđenje koncentracije fekalnih koliforma (FK) kao reprezentativnog parametra zagađenja sadržanog u efluentnom oblaku. Kako bi se obuhvatio raspon karakterističnih stanja morskog recipijenta te unosa efluenta putem rada podmorskog ispusta, napravljen je niz numeričkih analiza u numeričkim kanalima koji imaju pravokutni proticajni presjek definiran širinom 1500 m i dubinama d = 30 m i 40 m. Kanalom dubine 30 m obuhvaćena je situacija karaktersitična za područje zapadne obale Istre, dok je kanal dubine 40 m reprezentativan za ostala područja. U tablici 1 prikazana je nomenklatura osnovnih provedenih numeričkih analiza zajedno sa specifičnostima modelskih postavki. Obzirom na cjelogodišnje prisustvo stratifikacije na području Neretvanskog kanala, numeričke analize nisu provedene za to područje. Obzirom da je baždarenje provedeno sa 3 različite vrijednosti horizontalnog koeficijenta turbulentne difuzije, ukupno je provedeno 60 numeričkih analiza sa modelom Mike 3.

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

022 23 24 25 26 27 28 29

σt (kg/m3)

dubi

na (m

)

Istra KvarnerZadar/Šibenik St./Br./Hv.liner.aproksi.

Tablica 1: Nomenklatura provedenih numeričkih analiza zajedno sa specifičnostima modelskih postavki

analiza d (m) Ldif. V(m/s) termin analizad

(m) Ldif. V(m/s) termin

1 Z-30-50-5 30 50 5 zima 13 LJ-30-50-5 30 50 5 ljeto

2 Z-30-100-5 30 100 5 zima 14 LJ-30-100-5 30 100 5 ljeto

3 Z-30-200-5 30 200 5 zima 15 LJ-30-200-5 30 200 5 ljeto

4 Z-30-50-10 30 50 10 zima 16 LJ-30-50-10 30 50 10 ljeto

5 Z-30-100-10 30 100 10 zima 17 LJ-30-100-10 30 100 10 ljeto

6 Z-30-200-10 30 200 10 zima 18 LJ-30-200-10 30 200 10 ljeto

7 Z-40-50-5 40 50 5 zima 19 LJ-40-50-5 40 50 5 ljeto

8 Z-40-100-5 40 100 5 zima 20 LJ-40-100-5 40 100 5 ljeto

9 Z-40-200-5 40 200 5 zima 21 LJ-40-200-5 40 200 5 ljeto

10 Z-40-50-10 40 50 10 zima 22 LJ-40-50-10 40 50 10 ljeto

11 Z-40-100-10 40 100 10 zima 23 LJ-40-100-10 40 100 10 ljeto

12 Z-40-200-10 40 200 10 zima 24 LJ-40-200-10 40 200 10 ljeto

Z: zima; Lj: ljeto; d: dubina recipijenta (m); Ldif.: duljina difuzora (m); V: srednja brzina barotropnog strujanja uzduž vertikale morskog recipijenta (m/s)

Slika 6: Referentni profili reduciranih gustoća za područja zapadne obale Istre, Kvarnera-Kvarnerića, zadarskog i šibenskog priobalnog akvatorija i Splitskog-Bračkog-Hvarskog kanala tijekom ljetnog perioda te njihova linearna aproksimacija

6



4. NUMERIČKI MODEL MIKE 3

U numeričkom modelu Mike 3, unutar hidrodinamičkog modula, analizira se Newton-ov fluid kroz numeričko rješavanje sustava jednadžbe kontinuiteta, jednadžbi količine gibanja i jednadžbe pronosa suspendirane ili otopljene tvari, a čime se povezuju lokalne vrijednosti brzine, gustoće, saliniteta, temperature, tlaka i koncentracije suspendirane ili otopljene tvari. Hidrodinamički modul koristi tzv. ADI (Alternating Direction Implicit) tehniku za integraciju jednadžbi očuvanja mase i količine gibanja u vremenskoj i prostornoj domeni. Matrice jednadžbi rješavaju se DS (eng: Double Sweep) algoritmom. Diskretizacija je provedena na Arakawa – C numeričkoj rešetki. Za analizu pronosa korištena je 3D quickest-sharp numerička shema koja je posebito pogodna za slučajeve naglašenih gradijenata i pripada grupacij tzv. CWC shema (eng: Consistency With Continuity) kojima se osigurava konzistentnost sa jednadžbom kontinuiteta mase u hidrodinamičkom modulu. Iako je analizirani fluid u modelu pretpostavljen kao nestlačiv, korištenje pripadnih jednadžbi kontinuiteta u sklopu cjelokupnog sustava jednadžbi dovodi do matematički problematičnih uvjeta rješavanja. Taj problem otklonjen je usvajanjem pretpostavke o hidrostatskoj raspodjeli tlakova, u kome je tlak na svakoj točki definiran kroz osnovnu informaciju o položaju vodnog lica. No, kako bi se zadržala jednadžba količine gibanja i u vertikalnom smjeru, a koja gubi smisao uz pretpostavku hidrostatske raspodjele tlakova, u Mike 3 korištena je opcija umjetne kompresibilnosti (Rasmussen, 1993.) čime sustav jednadžbi postaje hiperbolno dominantan. Ova numerička performansa vrlo je bitna za analizu pronosa polja efluenta nastalih radom podmorskih ispusta.

U Mike 3 korištena je matematička formulacija jednadžbe kontinuiteta (1), jednadžbe količine gibanja za tri smjera, uključujući efekt turbulencije i varijacije gustoća na temelju Reynolds-ovih jednadžbi osrednjenog strujanja (2), i konvektivno-disperzivne jednadžbe pronosa za analizu skalarnih polja saliniteta, temperatura i koncentracija otopljene ili suspendirane tvari (3) glasi:

JKj

j

S

SSxu

tp

c=

∂∂

+∂∂

2

1ρ

(1)

KGiii

j

j

iT

ji

ijij

j

jii SSuxk)

xu

xu

(x

gxpu

x)uu(

tu

+

∂−∂∂

+∂∂

∂∂++

∂∂−=Ω+

∂∂

+∂

∂3212 υ

ρ (2)

JPj

ii

jji

j

i SSx

Dx

)u(xt

+

∂∂

∂∂=

∂∂+

∂∂ (3)

gdje je:ρ - lokalna gustoća, cs - brzina zvuka u promatranoj

tekućini, iu - osrednjena komponenta brzine u xi smjeru, Ωij - Coriolis-ov tenzor, p - osrednjeni tlak, υT – kinematski koeficijent turbulentne viskoznosti, δ Kronecker-ova delta, k – turbulentna kinetička energija, t – vrijeme, Di - koeficijent turbulentne difuzije za analizirano polje (i = c,S,T ), SSi - odgovarajući termin ponora ili izvora, i - osrednjena vrijednost analiziranog polja u pronosu (i = T, S, c) .

Salinitet, temperatura i tlak povezani su sa gustoćom kroz jednadžbe stanja usvojenih iz preporuka UNESCO-a (1981.).

Naprezanja na dnu definirana su na sljedeći način:

τ0 / ρ = Cd u* u* (4)gdje je:Cd - koeficijent otpora dna, u*- proračunata brzina

u prvom numeričkom diskretizacijskom čvoru iznad dna.

U korištenom standardnom 3D k-ε modelu turbulencije korišten je logaritamski profil brzina :

2

3021

−

=

/klogC

sd κ

(5)

gdje je:ks - duljinska mjera hrapavosti (usvojeno 0,01 m);

κ - von Karman-ova konstanta.

Izvor i/ili ponor definira se intenzitetom Q0 i brzinom U0, na desnoj strani jednadžbe kontinuiteta (numerički oblik) uvodi se dodatni član Q0, a u jednadžbi količine gibanja dodatni članovi desne strane su ovisni o horizontalnom (s) i vertikalnom (j) kutu prema horizontalnoj ravnini :

ϕσσ cos)sin(Uzyx

QNYC−∆∆∆ 0

0 (za x - smjer) (6a)

ϕσσ cos)cos(Uzyx

QNYC−∆∆∆ 0

0 (za y - smjer) (6b)

7



ϕsinUzyx

Q0

0

∆∆∆ (za z - smjer) (6c)

gdje je:

θNYC - orjentacija modela

Mike 3 koristi standardni k-e model turbulencije u kojem jednadžba za veličinu izotropne disipacije energije poprima oblik:

lkCD

2/3

=ε (7)

i u kombinacji sa Kolmogorov-Prandtl-ovim izrazom prelazi u formu:

ευ µ

2kCT = (8)

gdje je:cµ - empirička konstanta.

Formulacija k-ε modela korištenog u MIKE 3 oslanja se na rad Rodija (1987.) u kojem su jednadžbe za turbulentnu kinetičku energiju i disipaciju definirane na sljedeći način:

Slika 7: Diskretizacija prostorne domene numeričkog modela Mike 3 sa proračunskim korakom od 25 m u x i y smjeru (crvena linija-položajem difuzorske dionice duljine 100 m smještene u osi numeričkog kanala)

xxu

xu

xu

xk

xxku

tk

jT

Tj

i

j

j

i

i

jT

jk

T

jjj −∂

∂+∂∂

∂∂

+∂∂

+

∂∂

∂∂=

∂∂+

∂∂ υυυ (9)

kc)

xc

xu

xu

xu

(k

cxxx

ut jT

Tj

i

j

j

i

i

jT

j

T

jjj

2

231 −∂∂+

∂∂

∂∂

+∂∂

+

∂∂

∂∂=

∂∂+

∂∂ υυυ (10)

gdje je:cµ, c1ε, c2ε, c3ε, σk, σε, σT - empiričke konstante

(0,09 ; 1,44 ; 1,92 ; 0 ; 1 ; 1,3 ; 0,9), b - volumetrijski ekspanzioni koeficijent, D - skalarna veličina uzgonskog djelovanja uslijed razlike u gustoći.

Osnovni koncept provedene analize sa numeričkim modelom Mike 3 je simulacija fizikalnih i procesa relevantnih za dinamiku koncentracija promatranog efluenta u području do 1000 m „nizvodno“ od mjesta pridnenog upuštanja kroz sekciju difuzora. Za provedbu numeričkih analiza postavljena je prostorna modelska domena diskretizirana sa mrežom konačnih diferencija sa ekvidstantnim prostornim korakom u x i y smjeru od 25 m i 50 m te od 1 m u vertikalnom smjeru. Na slici 7 prikazana je domena numeričkog modela Mike 3 sa proračunskim korakom od 25 m u x i y smjeru. Crvena linija označava položaj difuzora duljine 50 m, a plave linije otvorene granice modela.

5. NUMERIČKI MODEL CORMIX

Objašnjenja vezana uz implementaciju fizikalnog procesa pronosa u modelu Cormix, u području bliske zone, dana su u radu Lončar i sur. (2009.) te se ovdje neće ponovno navoditi. U nastavku se daju samo osnovne jednadžbe procesa pronosa efluenta u području daleke zone, koje su inkorporirane u modelu Cormix prema autorima Akar i Jirka (1994.)

Lateralno širenje oblaka efluenta u dalekoj zoni posljedica je preostale razlike u gustoći okolnog recipijenta i oblaka efluenta u horizontalnom smjeru. Prisutno je i nekoliko drugih mehanizama čije djelovanje utječe na formiranje konačne slike pronosa. Ti mehanizmi su konvektivno ubrzanje na fronti oblaka, uključujući miješanje na poziciji same fronte, viskozno djelovanje i uvlačenje uslijed razlike brzina između oblaka i recipijentnih struja, uvlačenje recipijentne vode u oblak uslijed djelovanja vjetra na vodnu površinu i gubitak

8



razlike gustoće kroz površinsku toplinsku izmjenu. Konačno, na nekoj nizvodnoj udaljenosti, spomenuti utjecaji postaju zanemarivo mali naspram turbulencije recipijentnog strujanja pa se govori o dominaciji pasivnog difuzivnog procesa.

Nizvodni konvektivni pronos oblaka efluenta, u homogenom polju struja, definiran je sa jednadžbom kontinuiteta u poprečnom, vertikalnom profilu efluentnog oblaka, jednadžbom količine gibanja u transverzalnom smjeru i jednadžbom očuvanja razlike gustoća recipijenta i efluenta. Integracijom spomenutih jednadžbi u transverzalnom smjeru, uz usvajanje pretpostavke da je transverzalna brzina strujanja u efluentnom oblaku linearno varijabilna od simetrale prema rubovima oblaka te da je debljina oblaka efluenta konstantna i neovisna o transverzalnoj koordinati, dobiva se sustav jednadžbi 11-13:

6. REZULTATI NUMERIČKIH MODELA

Na slici 8 prikazana je usporedba omjera rubnih kontura oblaka efluenta na površini mora dobivenih sa modelom Cormix i sa modelom Mike 3 za zimski period, uz varijaciju vrijednosti horizontalnog koeficijenta turbulentne difuzije. Varijacija vrijednosti dobivena je množenjem kinematskog koeficijenta turbulentne viskoznosti sa različitim vrijednostima koeficijenta proporcionalnosti izraženog sa 1/PS, gdje je PS Prandtl-Schmidt bezdimenzionalni parametar. Na slici 9 prikazana je usporedba omjera rubnih kontura oblaka efluenta dobivenih sa modelom Cormix i sa modelom Mike 3 za ljetni period, u kojem se širenje oblaka efluenta u području daleke zone odvija u horizontalnoj ravnini sloja neutralne gustoće.

(11)

21

233

+=

∞∞ o2

io2

oD

2oLo

bUhUCh

dxdb (12)

dxdb

bdxdh

hhUk

dxd o

o

Lo

o

L

o

L1L −−−=∞

(13)

gdje je:x - nizvodna longitudinalna koordinata, U∞ - brzina

strujanja recipijenta, ho(x) - debljina oblaka efluenta, b0(x) - polovica širine efluentnog oblaka, ∆L(x) = (∆ρ/ρa)g - lokalna akceleracija kao posljedica razlike u gustoći, ∆ρ (x) - lokalna razlika gustoće oblaka efluenta i recipijenta, λi - koeficijent otpora trenja na horizontalnoj kontaktnoj plohi oblaka i recipijenta (modelska konstanta - 0,0035), CD - koeficijent otpora oblika fronte (modelska konstanta - 0,85), u* - brzinska naprezanja recipijentnog polja strujanja, k1,2,3,4 - empirički parametri sa vrijednostima 0,026; 0,234; 0,0015; 0,2 usvojenim u modelu Cormix.

Kako se iz prikazanih jednadžbi može uočiti, modelom Cormix nije moguće dobiti dvodimenzionalno polje koncentracija u horizontalnom ili vertikalnom presjeku kroz efluentni oblak. Modelskim rezultatima definirana je samo varijacija srednjih koncentracija u poprečnim vertikalnim presjecima efluentnog oblaka uzduž longitudinalne koordinate x.

Na mjestu upuštanja efluenta iz sapnica difuzora, korištena je bezdimenzionalna inicijalna koncentracija 10000000 u svim modelskim proračunima. Ova vrijednost odgovara inicijalnoj koncentraciji fekalnih koliforma (FK/100ml) na mjestu upuštanja efluenta iz podmorskog ispusta sustava javne odvodnje sa prvostupanjskim tretmanom čiščenja (UNEP, 1995.).

Na slici 10 prikazana su polja koncentracija u horizontalnom sloju na dubini 21 m (položaj neutralne razlike u gustoći) na kojoj dolazi do prekida vertikalnog odizanja efluentnog oblaka i intenziviranog lateralnog širenja u ljetnom periodu. Na slici 11 prikazana su polja koncentracije u horizontalnom sloju na dubini 1 m u zimskom periodu. Granične konture prikazanog oblaka efluenta dobivenog sa modelom Mike 3 definirane su rubnom bezdimenzionalnom koncentracijom 100. Prikazana polja dobivena su za slučaj upuštanja:

Ldif = 100m; nsap = 11; dsap = 0,1m; Qdif = 0,216m3/s.

Na slici 12 prikazani su vertikalni poprečni presjeci kroz efluentni oblak na udaljenosti 900 m nizvodno od položaja upuštanja u ljetnom i zimskom periodu. Na slikama su crnim linijama naznačene konture vertikalnih poprečnih presjeka efluentnog oblaka dobivene modelom Cormix.

Prikazani rezultati ukazuju na potrebu usvajanja značajno izmijenjenih vrijednosti horizontalnih koeficijenata turbulentne difuzije Dx,y odnosno koeficijenata proporcionalnosti 1/PSx,y u modelu Mike 3 od vrijednosti koje se koriste u analizi strujanja mora pri uobičajenim horizontalnim gradijentima gustoća (1/PSx,y=0,1). U slučaju izdizanja oblaka efluenta do površine, koeficijent proporcionalnosti je potrebno umanjiti i do 2 reda veličine. Potpuno suprotna situacija pojavljuje se u slučaju prisustva stratifikacije kada se

9



Slika 8: Usporedba omjera rubnih kontura oblaka efluenta bCORMIX / bMIKE na površini dobivenih sa modelom Cormix i sa modelom Mike 3 za zimski period (koeficijenti proporcionalnosti u horizontalnom smjeru 1/PSx,y = 0,1; 0,001 ; u vertikalnom smjeru 1/PSz = konst = 0,1)

Slika 9: Usporedba omjera rubnih kontura oblaka efluenta bCORMIX / bMIKE u horizontalnoj ravnini sloja neutralne gustoće dobivenih sa modelom Cormix i sa modelom Mike 3 za ljetni period (koeficijenti proporcionalnosti u horizontalnom smjeru 1/PSx,y = 0,1 ; 4 ; 10 ; u vertikalnom smjeru 1/PSz = konst = 0,1)

0 .4

0 .6

0 .8

1 .0

1 .2

1 .4

1 .6

3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0

L i ( m )

Z - 3 0 -5 0 - 5 ( PS =0 ,1 ) Z -3 0 -5 0 -5 ( PS =0 ,0 0 1 )Z - 3 0 -1 0 0 -5 (PS = 0 ,1 ) Z -3 0 -1 0 0 -5 (PS =0 ,0 0 1 )Z - 3 0 -2 0 0 -5 (PS = 0 ,1 ) Z -3 0 -2 0 0 -5 (PS =0 ,0 0 1 )

0 .4

0 .6

0 .8

1 .0

1 .2

1 .4

1 .6

3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0

L i (m )

Z -3 0 - 5 0 -1 0 ( PS =0 ,1 ) Z -3 0 -5 0 - 1 0 ( PS =0 ,0 0 1 )Z -3 0 - 1 0 0 - 1 0 (PS = 0 ,1 ) Z -3 0 -1 0 0 -1 0 (PS = 0 ,0 0 1 )Z -3 0 - 2 0 0 - 1 0 (PS = 0 ,1 ) Z -3 0 -2 0 0 -1 0 (PS = 0 ,0 0 1 )

0 .4

0 .6

0 .8

1 .0

1 .2

1 .4

1 .6

3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0

L i (m )

Z -4 0 - 5 0 -5 (PS =0 ,1 ) Z -4 0 - 5 0 - 5 (PS = 0 ,0 0 1 )Z -4 0 - 1 0 0 -5 (PS = 0 ,1 ) Z -4 0 - 1 0 0 -5 ( PS =0 ,0 0 1 )Z -4 0 - 2 0 0 -5 (PS = 0 ,1 ) Z -4 0 - 2 0 0 -5 ( PS =0 ,0 0 1 )

0 .4

0 .6

0 .8

1 .0

1 .2

1 .4

1 .6

1 .8

3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0

L i (m )

bCORMIX

/ b

MIKE

Z -4 0 -5 0 -1 0 (PS =0 ,1 ) Z -4 0 -5 0 - 1 0 (PS = 0 ,0 0 1 )Z -4 0 -1 0 0 -1 0 (PS = 0 ,1 ) Z -4 0 -1 0 0 -1 0 ( PS =0 ,0 0 1 )Z -4 0 -2 0 0 -1 0 (PS = 0 ,1 ) Z -4 0 -2 0 0 -1 0 ( PS =0 ,0 0 1 )

0 .4

0 .6

0 .8

1 .0

1 .2

1 .4

1 .6

1 .8

3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0

L i ( m )

bCORMIX

/ b

MIKE

L J-3 0 - 5 0 -5 (PS = 0 ,1 ) L J-3 0 - 5 0 -5 (PS = 1 0 ) L J-3 0 - 5 0 -5 (PS = 4 )L J-3 0 - 1 0 0 - 5 ( PS =0 ,1 ) L J-3 0 - 1 0 0 - 5 ( PS =1 0 ) L J-3 0 - 1 0 0 - 5 (PS = 4 )L J-3 0 - 2 0 0 - 5 ( PS =0 ,1 ) L J-3 0 - 2 0 0 - 5 ( PS =1 0 ) L J-3 0 - 2 0 0 - 5 (PS = 4 )

0 .4

0 .6

0 .8

1 .0

1 .2

1 .4

1 .6

3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0

L i (m )

bCORMIX

/ b

MIKE

L J-3 0 - 5 0 -1 0 ( PS =0 ,1 ) L J- 3 0 -5 0 -1 0 ( PS =1 0 ) L J- 3 0 -5 0 - 1 0 (PS = 4 )L J-3 0 - 1 0 0 - 1 0 (PS = 0 ,1 ) L J- 3 0 -1 0 0 - 1 0 (PS = 1 0 ) L J- 3 0 -1 0 0 -1 0 (PS = 4 )L J-3 0 - 2 0 0 - 1 0 (PS = 0 ,1 ) L J- 3 0 -2 0 0 - 1 0 (PS = 1 0 ) L J- 3 0 -2 0 0 -1 0 (PS = 4 )

0 .4

0 .6

0 .8

1 .0

1 .2

1 .4

1 .6

1 .8

3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0

L i (m )

bCORMIX

/ b

MIKE

L J- 4 0 -5 0 -5 (PS = 0 ,1 ) L J-4 0 - 5 0 -5 (PS =1 0 ) L J-4 0 -5 0 - 5 (PS =4 )L J- 4 0 -1 0 0 - 5 ( PS =0 ,1 ) L J-4 0 - 1 0 0 -5 (PS = 1 0 ) L J-4 0 -1 0 0 -5 (PS = 4 )L J- 4 0 -2 0 0 - 5 ( PS =0 ,1 ) L J-4 0 - 2 0 0 -5 (PS = 1 0 ) L J-4 0 -2 0 0 -5 (PS = 4 )

0 .4

0 .6

0 .8

1 .0

1 .2

1 .4

1 .6

3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0

L i (m )

bCORMIX

/ b

MIKE

L J-4 0 - 5 0 -1 0 (PS = 0 ,1 ) L J -4 0 -5 0 - 1 0 (PS = 1 0 ) L J-4 0 -5 0 -1 0 (PS = 4 )L J-4 0 - 1 0 0 -1 0 (PS =0 ,1 ) L J -4 0 -1 0 0 -1 0 ( PS =1 0 ) L J-4 0 -1 0 0 -1 0 ( PS =4 )L J-4 0 - 2 0 0 -1 0 (PS =0 ,1 ) L J -4 0 -2 0 0 -1 0 ( PS =1 0 ) L J-4 0 -2 0 0 -1 0 ( PS =4 )

10



Slika 11: Polje koncentracije u horizontalnom sloju na dubini 1 m u zimskom periodu, dobiveno modelom Mike 3 (V= 0,1m/s; koeficijent proporcionalnosti u horizontalnom smjeru 1/PSx,y = 0,001 ; u vertikalnom smjeru 1/PSz = konst = 0,1)

Slika 12: Vertikalni poprečni presjeci kroz efluentni oblak na udaljenosti 900 m nizvodno od položaja upuštanja u ljetnom (lijevo) i zimskom (desno) periodu (V= 0,1m/s; koeficijent proporcionalnosti u horizontalnom smjeru za zimski perio 1/PSx,y = 0,001 i ljetni period 1/PSx,y = 4; u vertikalnom smjeru 1/PSz = konst = 0,1 )

oblak efluenta intenzivno širi u potpovršinskom sloju neutralne gustoće. Tada je modelski koeficijent proporcionalnosti potrebno uvećati za približno 2 reda veličine.

Vrijednost koeficijenta proporcionalnosti u vertikalnom smjeru nije mijenjana obzirom na literaturnu referenciranost (1/PSz=0,1). Autori modela Cormix (Akar i Jirka, 1994.) temeljem usporedbe rezultata modela i eksperimenata provedenih u mjerilu prirode također su kritički ocijenili modelske rezultate u domeni predikcije visina (debljina) efluentnog oblaka u području daleke zone. Razlog odstupanju je modelska implementacija vertikalno integriranih jednadžbi pronosa, pri čemu je zanemaren utjecaj izraženog vertikalnog gradijenta koncentracija ortogonalno na donju ili donju i gornju kontaktnu plohu između oblaka efluenta i recipijenta. Osim toga, u sklopu analiza provedenih sa modelom Mike 3 korištena je i modelska performansa umjetne kompresibilnosti (Rasmunsen, 1993.), a čime je omogućeno formiranje realnijeg modelskog polja sa sekundarnim strujanjem u vertikalnom profilu efluentnog oblaka.

Rezultati oba korištena modela tijekom zimskog perioda pokazuju da preostala razlika u gustoći između oblaka efluenta i recipijenta, nakon izlaska iz zone tranzicije, uzrokuje smanjivanje visine efluentnog oblaka. Potpuni prekid smanjivanja nastupio bi u „nizvodnoj“ dionici koja nije obuhvaćena u ovom istraživanju. Tada nastupa pasivno miješanje samo kroz mehanizam turbulentne difuzije (Lončar, 2005.).

Konture oblaka efluenta dobivene sa modelom Cormix nemaju eksplicitno značenje u smislu definirane vrijednosti koncentracije efluenta. Prema provedenim modelskim istraživanjima u analiziranoj dionici daleke zone, zaključuje se da rubne konture efluentnog oblaka, dobivene sa modelom Cormix, predstavljaju izoliniju koncentracije efluenta od 100 FK/100ml (razrjeđenje od 105 puta obzirom na inicijalno upuštenu koncentraciju od 107 FK/100ml).

7. ZAKLJUČAK

Provedena je numerička analiza širenja oblaka efluenta nastalog radom podmorskog ispusta. Razrjeđenje pridneno upuštenog efluenta proračunato je sa numeričkim modelom Cormix u području bliske zone, zone tranzicije i daleke zone. Proračunate vrijednosti koncentracija i geometrija vertikalnog poprečnog

Slika 10: Polje koncentracije u horizontalnom sloju na dubini 21 m u ljetnom periodu, dobiveno modelom Mike 3 (V= 0,1m/s; koeficijent proporcionalnosti u horizontalnom smjeru 1/PSx,y = 4 ; u vertikalnom smjeru 1/PSz = konst = 0,1)

11



presjeka na kraju bliske zone korištene su za početne i rubne uvjete u analizi pronosa u području daleke zone, sa modelom Mike 3.

Modelske prostorne domene su pravokutni numerički kanali širine 1500 m, sa dubinama 30 m i 40 m. Za analize su korišteni barotropni vertikalni profili brzina sa vertikalno usrednjenim vrijednostima od 0,05 m/s i 0,10 m/s. Verikalni profili temperatura, saliniteta i gustoća recipijenta definirani su temeljem rezultata mjerenja iz nekoliko programa monitoringa provođenih u području jadranskog priobalja. Promatrani efluent tretiran je kao biološki nerazgradiv (traser).

Hidraulička i geometrijska obilježja analiziranih difuzora, kroz koje se ostvaruje pridneno upuštanje efluenta, odabrana su na način da se obuhvati najveći broj planiranih i izvedenih difuzorskih dionica podmorskih ispusta sustava javnih odvodnji priobalnih gradova u Republici Hrvatskoj.

Transverzalno širenje oblaka efluenta dobiveno sa modelom Cormix, poslužilo je za baždarenje horizontalnih koeficijenata turbulentne difuzije korištenih u modelu Mike 3. Provedba baždarenja ukazala je na potrebu usvajanja vrijednosti horizontalnih koeficijenata proporcionalnosti (1/PSx,y) bitno različitih od vrijednosti koje se upotrebljavaju pri analizi strujanja mora sa uobičajenim horizontalnim gradijentima gustoće mora. Najbolje suglasje između modelskih rezultata pri praćenju transverzalnog širenja oblaka efluenta dobiveno je upotrebom vrijednosti 1/PSx,y = 0,001 u slučaju odizanja efluentnog oblaka do površine, odnosno 1/PSx,y = 4 u slučaju zadržavanja oblaka efluenta u sloju neutralne gustoće.

Rezultantna horizontalna, dvodimenzionalna polja koncentracija, dobivena sa modelom Mike 3, poslužila

su za definiranje rubnih koncentracija oblaka efluenta dobivenog sa modelom Cormix. Na analiziranoj dionioci daleke zone rubne konture efluentnog oblaka, dobivene sa modelom Cormix, predstavljaju izoliniju koncentracije koja se dobiva razrjeđenjem od 105 puta obzirom na inicijalno upuštenu.

Općenito se modelom Cormix mogu vrlo kvalitetno proračunati razrjeđenja u bliskoj i dalekoj zoni, uz poznavanje svih bitnih parametara koje model zahtijeva, a zbog jednostavnosti njegovog korisničkog sučelja može poslužiti kao prvi izbor pri preliminarnoj analizi i/ili izradi koncepcijskog rješenja. MIKE 3 je složeniji model i osjetljiviji je na unos podataka i parametara te proračunava razrjeđenje putem metode konačnih elemenata. Oba modela daju primjerene rezultate za potrebe projektiranja podmorskih ispusta, no kako svaki koristi točno određene konstitutivne jednadžbe, navedene u prijašnjim poglavljima, one ga čine pogodnijim za određeni proces koji se razmatra ili dio procesa razrjeđenja pa se mogu koristiti kao nadopuna jedan drugome. Drugim riječima, Cormix je prikladan za direktnu procjenu razrjeđenja u području bliske zone, što nam koristi kao bitan ulazni podatak za proračun u modelu MIKE 3, ali i za procjenu razrjeđenja u dalekoj zoni za potrebe evaluacije podataka iz modela MIKE 3. Potonji model, zbog mogućnosti vrlo fine prilagodbe geometrije i definicije područja obuhvata, daje primjeren prikaz razrjeđenja u bilo kojoj točki obuhvaćenog prostora i daje do sada najbolju procjenu razrjeđenja u području daleke zone.

Daleka zona predstavlja velik odmak od mjesta neposrednog upuštanja efluenta u prostornom i vremenskom smislu, tako da korišteni modeli ne daju egzaktnu procjenu razrjeđenja, ali dovoljno prikladnu za trenutne potrebe projektiranja.

LITERATURA

Akar, P. J., Jirka, G. H. (1994.): Buoyant Spreading Processes in Pollutant Transport and Mixing, Part 2: Upstream spreading in weak ambient current. Journal of Hydraulic Research, 33(1), 24-37.

Andročec, V., Beg-Paklar, G., Dadić, V., Djakovac, T., Grbec, B., Janeković, I., Krstulović, N., Kušpilić, G., Leder, N., Lončar, G., Marasović, I., Precali, R., Šolić, M. (2009.): The Adriatic Sea Monitoring Program. Final Report, Zagreb.

Fischer, H.B., List, E.J., Koh, R.C.Y., Imberger, J., Brooks, N.H. (1979.): Mixing in Inland and Coastal Waters. Academic Press, New York.

Lončar, G. (2005.): Hidrauličko modeliranje pronosa fizikalnih veličina. Disertacija, Građevinski fakultet Sveučilišta u Zagrebu, Zagreb.

Lončar, G., Gjetvaj, G., Matković, M. (2009.): Usporedba modela širenja oblaka efluenta u području bliske zone nastalog radom podmorskog ispusta priobalnog sustava javne odvodnje. Hrvatske vode, 17 (69/70), 229-240.

Munk, W., Anderson, E.(1948.): Notes on a theory of the thermocline. Marine Research, 7, 127-145.

Odd, N. V. M., Rodger, J. G. (1978.): Vertical Mixing in Stratified Tidal Flows, Journal of the Hydraulics Division, 104(3), Proceedings of the American Society of Civil Engineers, 6-18.

Rasmussen, E. B. (1993.): Three Dimensional Hydrodynamic models. Coastal, Esturial and Harbour Engineer’s Reference Book (ur. M.B. Abbott, N.A. Price), Chapman and Hall, London.

Rodi, W. (1987.): Examples of Calculation Methods for Flow and Mixing in Stratified Fluids. Journal of Geophysical Research, 92, (C5), 5305-5328.

UNEP (1995.): Guidelines for Submarine Outfall Structures for Mediterranean Small and Medium-Sized Coastal Communities. Working document, UNEP(OCA)/MED WG. 89/Inf.6.

Wood, I.R., Bell, R.G., Wilkinson, D. L. (1993.): Ocean Disposal of Wastewater. Advanced Series on Ocean Engineering – Volume 8, World Scientific, London.

12



NUMERICAL ANALYSIS OF EFFLUENT TRANSFER FROM A SUBMARINE OUTFALL

Abstract. The numerical modelling was conducted of effluent transfer caused by operation of a submarine outfall with the models Cormix and Mike 3. The investigation objective was the definition of appropriate parameterization in model analyses of scalar field transfer by means of finding suitable turbulent diffusion coefficients. The investigation was focused on effluent spreading in the area of the far field zone, up to 1.000 m downstream of the bottom effluent discharge location. The spreading of the effluent cloud front along the monitored stretch was referenced to the results of the model Cormix, while the values of turbulent diffusion coefficient in the lateral direction, used in the model Mike 3, were calibrated according to these results.

The analysis was carried out in rectangular numerical canals of the width 1500 m and depths 30m and 40m. The vertical velocity profiles in the model canal were uniform and barotropic along the monitored stretch, with vertical mean values of 0.05m/s and 0.10m/s. The used vertical profiles of temperatures, salinity and density of the marine receiving body were obtained by a synthesis of the results from several national and international monitoring programmes in the Adriatic area. The monitored effluent was treated as biologically non-degradable (tracer).

The analyzed value ranges of the hydraulic and geometrical characteristics of the diffuser, discharge flow and hydrographical characteristics of the marine receiving body encompass the relevant characteristics of the effluent transfer process caused by the operation of a submarine outfall in the winter and summer period in the coastal area of Croatia.

Key words: submarine outfall, far field zone, CORMIX, MIKE 3

NUMERISCHE ANALYSE DER AUSBREITUNG DES ABWASSERSTRAHLS AUS DEM UNTERWASSERAUSLAUF

Zusammenfassung. Die numerische Modellierung der Ausbreitung eines Abwasserstrahls, entstanden durch den Betrieb eines Unterwasserauslaufs, ist unter Verwendung der Modelle Cormix und Mike 3 durchgeführt worden. Das Ziel der Untersuchung war, entsprechende Parametrisierung in den Modellanalysen der Ausbreitung von Skalafeldern durch die Erfassung von entsprechenden turbulenten Diffusionskoeffizienten zu definieren. Die Untersuchung befasste sich mit der Ausbreitung des Abwasserstrahls in der Fernzone, bis zu 1000 Meter flussabwärts vom bodennahen Einleitungsort. Die Ausbreitung des Abwasserstrahls entlang der beobachteten Strecke wurde zu den Ergebnissen des Cormix-Modells in Beziehung gesetzt, und die Werte der turbulenten Diffusionskoeffizienten in seitlicher Richtung, die im Mike 3-Modell verwendet wurden, wurden nach diesen Ergebnissen justiert.

Die Analyse wurde an den 1500 m breiten und 30 und 40 m tiefen, rechteckigen numerischen Kanälen durchgeführt. Die Vertikalprofile der Geschwindigkeit im Modellkanal waren gleichförmig und barotropisch entlang der beobachteten Strecke mit vertikal eingemittelten Werten von 0,05 m/s und 0,10 m/s. Die verwendeten Vertikalprofile von Temperatur, Salzgehalt und Dichte des Meeres als Vorfluters wurden mittels der Synthese von Ergebnissen aus mehreren kroatischen und internationalen, am Adriatischen Meer durchgeführten Überwachungsprogrammen erfasst. Der beobachtete Abwasserstahl wurde als nicht biologisch abbaubar (Tracer) aufbereitet.

Mit den analysierten Spannweiten der Werte von hydraulischen und geometrischen Eigenschaften des Diffusors, des Durchflusses im Auslauf und der hydrographischen Eigenschaften des Meeres als Vorfluters sind die wesentlichen Eigenschaften der Ausbreitung des Abwasserstrahls erfasst worden, der durch den Betrieb eines Unterwasserauslaufs an der kroatischen Küste im Winter- und Sommerzeitraum entstanden ist.

Schlüsselwörter: Unterwasserauslauf, Fernzone, CORMIX, MIKE 3

Documents

Izvorni znanstveni rad Original Scientific Paper UDK 628.2 ...2 G. Lončar i sur. NUMERIČKA ANALIZA PRONOSA EFLUENTA IZ PODMORSKOG ISPUSTA Hrvatske vode 18(2010) 71 1-12 1. UVOD U