SVEUČILIŠTE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU GRAĐEVINSKI FAKULET OSIJEK DIPLOMSKI RAD

SVEUČILIŠTE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU GRAĐEVINSKI FAKULET OSIJEK DIPLOMSKI RAD OSIJEK, 12.11.2015. MARTA JERKOVIĆ

SVEUČILIŠTE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU GRAĐEVINSKI FAKULET OSIJEK DIPLOMSKI RAD TEMA: IZRADA MATEMATIČKOG MODELA RIJEKE DRAVE NA DIONICI OD 00+543 DO 69+118 KVALITETA VODE OSIJEK, 12.11.2015. MARTA JERKOVIĆ

ZAHVALE: Zahvaljujem se svojoj mentorici izv.prof.dr.sc. Lidiji Tadić, dipl.ing.građ. na potpori, razumijevanju, strpljenju i vodstvu pri izradi diplomskog rada te što mi je omogućila da obradim temu koja izlazi iz okvira uobičajene nastave. Također zahvaljujem komentoru doc.ing. Mareku Sokáču, PhD. što je pristao pomoći izraditi ovaj diplomski rad, što me naučio koristiti programski paket MIKE 11 te na velikom strpljenju pri objašnjavanju i odgovaranju na moja pitanja. ACKNOWLEDGEMENTS: I would like to express my gratitude to my mentor izv.prof.dr.sc. Lidija Tadić, dipl.ing.građ. for her support, understanding, patience and leadership while allowing me to choose a topic of my Master s Thesis that is not included in regular curriculum. Also, very special thanks to co-mentor doc.ing. Marek Sokáč, PhD. for agreeing to help me with my Master's Thesis while I was in Bratislava, for teaching me how to use software MIKE 11 and for his patience while explaining and answering my questions.

SADRŽAJ SAŽETAK... 2 ABSTRACT... 3 1. UVOD... 4 1.1. Važnost kakvoće voda... 4 1.2. Uzroci onečišćenja/pritisci... 5 1.2.1. Otopljeni kisik O2... 7 1.2.2. Biokemijska potrošnja kisika BPK5... 10 1.2.3. Temperatura otpadne vode... 11 1.2.3. Amonijak NH3 i nitrati NO3... 11 1.2.4. Fosfor P... 12 1.3. Kakvoća voda hrvatskih rijeka... 12 1.4. Mjere zaštite kakvoće hrvatskih voda... 15 2. MODELIRANJE KAKVOĆE VODE... 18 2.1. Opis modeliranog područja... 18 2.2. Numerički model MIKE 11... 19 2.2.1. Hidrodinamički modul (HD)... 20 2.2.2. Advektivno disperzivni modul (AD)... 22 2.2.3. Modul kvalitete vode (WQ)... 23 2.3. Ulazni podaci... 23 2.4. Kalibracija modela... 27 2.5. Scenariji... 29 2.5.1. Scenarij 1... 30 2.5.2. Scenarij 2... 34 3. REZULTATI I RASPRAVA... 36 3.1. Rezultati modeliranja prema scenariju 1... 36 3.2. Rezultati modeliranja prema scenariju 2... 43 4. ZAKLJUČAK... 46 5. LITERATURA... 48 6. PRILOZI... 49

SAŽETAK U programskom paketu MIKE 11 izrađen je jednodimenzionalni model rijeke Drave na dionici od 00+543 rkm do 69+118 rkm sa svrhom analize kakvoće vode rijeke Drave. Izrađena je pojednostavljena verzija promatrane dionice rijeke Drave bez pritoka. Za uzvodni rubni uvjet uneseni su protok i parametri kakvoće vode (otopljeni kisik, temperatura, amonijak, nitrati, otopljeni i partikularni fosfor te petodnevna biološka potrošnja kisika BPK5), na nizvodnom presjeku definiran je vodostaj dok je uvjet vezan za kakvoću vode ostao otvoren. Kao dio ulaznih podataka također su određene koncentracije spomenutih parametara kakvoće vode na uređaju za pročišćavanje Belišće na stacionaži 54+373 rkm i oni na položaju direktnog ispusta otpadne vode kod Osijeka sa stacionažom 14+580 rkm. Modelirana su dva scenarija. Za scenarij 1 uneseni su potoci i parametri kakvoće vode na pozicije tri prema dogovoru odabrana kišna preljeva (od ukupno osam u gradu Osijeku). Analizirano je kako otpadna voda, puštena preko preljeva za vrijeme kišnih razdoblja u trajanju od 30, 60, 120 i 240 minuta, a povratnim razdobljima od 1, 3, 5, 10 i 20 godina, utječe na kakvoću vode rijeke Drave. Scenarij 2 predstavlja ekstremnu situaciju: kvar na uređaju za pročišćavanje Belišće i njegov prestanak rada u trajanju od dva dana. Pretpostavljeno je da se tokom tog razdoblja u rijeku Dravu ispušta nepročišćena voda sa uređaja za pročišćavanje Belišće. Nakon modeliranja analizirane su dobivene koncentracije otopljenog kisika O2, BPK5, i amonijaka NH3. Za prvi scenarij konstruirane su ITP krivulje za svako povratno razdoblje. Rezultati su pokazali kako se koncentracije, nakon prvotnog pada/skoka, razmjerno brzo stabiliziraju na stanje prije kišne epizode. Scenarij 2 isto je ukazao na sposobnost samopročišćavanja rijeke Drave. Tokom kvara, koncentracije analiziranih parametara naglo su se povećale u skladu sa vrijednostima parametara nepročišćene vode, ali odmah po popravku uređaja također dolazi do vraćanja parametara na prvotnu kakvoću vode rijeke Drave. Diplomski rad napravljen je u suradnji sa Građevinskim fakultetom u Bratislavi u okviru Erasmus+ programa za mobilnost studenata. Ključne riječi: programski paket MIKE 11, rijeka Drava, parametri kakvoće vode, scenariji, ITP krivulje, samopročišćavanje 2

ABSTRACT One-dimensional model of the Drava River between chainages 00+543 km and 69+118 km was created in 1D modelling software MIKE 11. Compared to the Drava River, the created model was simplified, without any tributaries, with the purpose of water quality analysis. Inflow boundary was specified upstream as well as water quality parameters (dissolved oxygen DO, temperature, ammonia, nitrates, dissolved and particular phosphorus and biochemical oxygen demand BOD). Water level and open boundary conditions were specified at the downstream end. Water quality parameters mentioned earlier were also defined at wastewater treatment plant (WWTP) Belišće (chainage 54+373 km) and wastewater outlet near Osijek (chainage 14+580 km) Two types of scenarios were modelled. For scenario 1, discharge and water quality parameters were specified for three combined sewer overflows (CSO) in Osijek. The purpose of this scenario was to analyse wastewater impact on the Drava River during the rainfall with the duration of 30, 60, 120 and 240 minutes and the frequency of 1, 3, 5, 10 and 20 years. Scenario 2 presented an extreme situation: 2-day failure of WWTP Belišće. It was assumed that during that time raw untreated water would be discharged into the river. After running the simulation, resulting concentrations of DO, BOD and ammonia were analysed. IDF curves were constructed for scenario 1. According to the results, concentrations of BOD and ammonia rapidly increase with the beginning of the rain but stabilize around concentration value close to primer river quality shortly after the rain stops. At the same time, DO concentrations rapidly decrease but stabilize too. As well as scenario 1, scenario 2 also pointed out the self-purification of the Drava River. During the failure, parameter concentrations promptly increased according to concentration values of untreated wastewater, but immediately after fixing WWTP they went back to pre-failure values. This Master s Thesis was created in collaboration with Faculty of Civil Engineering at Slovak University of Technology in Bratislava during Erasmus+ Mobility Programme. Keywords: 1D river modelling software MIKE 11, the Drava River, water quality parameters, IDF curves, self-purification process 3

1. UVOD Diplomski rad izrađen u sklopu Erasmus+ programa za mobilnost studenata u suradnji s Građevinskim fakultetom sa Tehničkog sveučilišta u Bratislavi. 1.1. VAŽNOST KAKVOĆE VODA O vodi, točnije raspoloživim količinama vode, ovisi cjelokupan život na Zemlji. Procjenjuje se da ukupna količina vode na Zemlji iznosi 1,386 10 9 km 3. Od toga 97,5% čine mora i oceani, a 2,5% slatka voda. Bitno je napomenuti da je većina zaliha slatke vode zaleđena. Samo 0,76% od ukupne mase vode na Zemlji čine tekućice i stajaćice gdje je tek manji dio ekološki i ekonomski prihvatljiv za uporabu. Od davnina, voda je bila jedan od četiri temeljna elementa života pa su i sve velike civilizacije nastale na područjima sa dovoljnom količinom raspoložive vode. Kakvoća vode, naročito podzemne, stoljećima je bila povoljna za sve višestruke namjene. Međutim, eksponencijalni rast stanovnika, gospodarski razvoj i urbanizacija doveli su do povećane proizvodnje hrane i industrijskih proizvoda. Otpadne tvari i energija, koji su također bili u znatnom porastu, ispuštali su se izravno ili neizravno u prirodne vodne sustave. Nadalje, razvoj kemijske industrije uzrokovao je pojavu umjetnih tvari i spojeva kojih nikada nije bilo u prirodi pa nisu postojali ni organizmi koji bi takve spojeve razgradili. Razvoj čovječanstva doveo je, s jedne strane, do velikog porasta potreba za vodom, a s druge, do ugrožavanja vodnih resursa i vodnog okoliša zbog čega voda lako može postati prijetnja ljudskom zdravlju i održivosti prirodnih ekosustava te ograničavajući čimbenik razvoja. Kakvoća voda postala je isto tako bitan pokazatelj kao i količina stoga je danas potrebno utvrditi ne samo sa koliko vode se raspolaže, nego i kakva je ta voda. Pedesetih godina postupalo se prema krilatici ''razrjeđenje je rješenje za zagađenje''. Veliki gradovi i industrijski pogoni ispuštali su u vodotoke i obalno more otpadne vode uz malo ili nikakvo pročišćavanje oslanjajući se na postupke razrjeđenja i raspršenja. Ovisno o količini vode koju je pojedini recipijent mogao primiti, bilo je potrebno više ili manje vremena da se opaze poremećaji biološke ravnoteže dijelova 4

vodnih sustava. Jednom teško poremećeni dijelovi prirodnog okoliša i voda ubrzo postaju neupotrebljivi za mnoge namjene. Nakon razdoblja nekontrolirane uporabe prirodnih bogatstava i neprimjerenog razvoja temeljenog na pretpostavci da je voda opće dobro, obnovljivo bogatstvo i da će je uvijek biti u dovoljnim količinama, svijet se našao na prekretnici. U razvijenim zemljama očuvanje i unaprjeđenje kakvoće vode uključeno je u održavanju svih djelatnosti i sastavni je dio svake odluke o planiranom razvoju. S druge strane, zemlje u razvoju, koje su raspolagale sa razmjerno velikim količinama prirodno čistih voda i drugim dijelovima okoliša, mjere za zaštitu voda smatraju kao ograničenje, ako ne i kočnica gospodarskog razvoja. Ljudi, točnije ljudska aktivnost, glavni su uzrok onečišćenja kopnenih voda. Nemaran odnos prema okolišu i vodi, ispuštanje štetnih, umjetnih, toksičnih otpadnih tvari u prijemnike i okoliš izaziva negativne promjene u hidrosferi koje mogu dovesti do ugrožavanja biološke raznolikosti, teških poremećaja ekosustava te općenito ozbiljnih prijetnji zdravlju, napretku i razvoju cjelokupnog života na Zemlji. Zbog vlastitog opstanka, ali i opstanka biljnih i životinjskih vrsta, nužni su povećani napori cjelokupne organizirane ljudske zajednice u pogledu očuvanja i unaprjeđenja kakvoće vode. [1][2] 1.2. UZROCI ONEČIŠĆENJA/PRITISCI Vodni sustavi mogu biti onečišćeni i/ili zagađeni. Onečišćenje podrazumijeva unošenje tvari ili energije u vodne sustave, uslijed čega dolazi do fizikalnih, kemijskih ili bioloških promjena kakvoće voda. Tada vode postaju nedovoljno dobre za uporabu, posebno za vodoopskrbu i druge namjene koje zahtijevaju vodu visoke kakvoće. Zagađenje označava ispuštanje u vodne sustave tvari ili energije, izravno ili neizravno, prouzročene čovjekovom djelatnosti. Njihov ishod predstavlja opasnost za ljudsko zdravlje, smanjenje kakvoće vode, ometanje uporabe vode za planirane namjene kao i štetnost za žive organizme i okoliš. Zagađenje je viši stupanj onečišćenja koje se ponekad ne može ukloniti i ima puno teže posljedice za okoliš. Za procjenu promjene kakvoće vodnih sustava potrebno je promatrati međusobne utjecaje pojedinih onečišćivača. 5

Čovjekovom djelatnošću stvorena otpadna tvar i otpadna energija za samog korisnika predstavljaju beskoristan i nepoželjan otpad. Otpadne tvari mogu se pojaviti u krutom, tekućem ili plinovitom obliku. Otpadne tvari koje se pojavljuju u tekućem obliku nazivaju se otpadnim vodama. Ovisno o podrijetlu i svojstvima, otpadne vode mogu biti kućanske (sanitarne), industrijske i poljoprivredne otpadne vode. Otpadne vode također su dio hidrološkog ciklusa. Prema načinu unošenja otpadnih voda u vodne sustave, razlikuju se 'točkasti' i 'raspršeni' ispusti. Otpadne vode kućanstva, industrije i dijelom oborinske vode prikupljaju se sustavom kanala, a u prijemnike ispuštaju kanalskim ispustima koji predstavljaju točkaste ispuste. Komunalne otpadne vode, kao i otpadne vode iz prehrambene industrije pretežno su onečišćene organskim tvarima. Otpadne vode iz petrokemijskih i kemijskih, drvnih, metaloprerađivačkih, tekstilnih industrija te industrija za proizvodnju celuloze i papira mogu sadržavati opasne tvari koje djeluju toksično, sporo su razgradive ili potpuno nerazgradive, te bioakumulativne. Oborinske vode, koje u vodne sustave dospijevaju izravno iz atmosfere ili nakon ispiranja površina livada, šuma, naselja i drugih površina ulaze u prijemnike na vrlo dugačkim potezima, nazivaju se raspršeni ispusti. Ostali izvori raspršenog onečišćenja jesu poljoprivreda (hranjive tvari od gnojidbe i sredstva zaštite bilja), erozija zemljišta te neuređena odlagališta otpada. Otpadna tvar ispuštena točkastim ispustima može se nadzirati pomoću uređaja za pročišćavanje otpadnih voda. Međutim, kada je o raspršenim izvorima onečišćenja riječ otpadnu tvar nije moguće nadzirati. U komunalne (gradske) otpadne vode svrstavaju se sanitarne, industrijske otpadne vode i oborinske vode. Da bi se odredila kakvoća komunalnih voda, najčešće se rabe pokazatelji kao što su količine krutih tvari (ukupne, taložive, suspendirane, raspršene), otopljeni plinovi, petodnevna biokemijska potrošnja kisika (BPK5), kemijska potrošnja kisika (KPK), ukupni organski ugljik (UOU), dušik (ukupni N, organski, nitriti, nitrati, amonijak), fosfor (ukupni P, organski, anorganski), temperatura, ph-vrijednost, ukupna ulja i masnoće te sadržaj mikroorganizama fekalna podrijetla. [1][2] U nastavku su detaljnije opisani pokazatelji modelirani u ovom diplomskom radu. 6

1.2.1. OTOPLJENI KISIK O2 U standardnim prilikama većinu onečišćenja otpadnih voda (uglavnom kućanskih) predstavljaju organske tvari za čiju se razgradnju troši otopljeni kisik iz vode. Sukladno tome, stupanj onečišćenja otpadnih voda organskom tvari u izravnoj je vezi s količinom kisika potrebnom za razgradnju te tvari. Kisik u vodi nastaje otapanjem iz zraka te procesom fotosinteze. U vodi se počinje otapati nakon što u nju dospije zrak, tj. dodirom zraka i vodene površine te se nastavlja otapati do točke zasićenja. Količina kisika otopljenog u vodi ovisi temperaturi vode. Što je temperatura vode veća, to je količina otopljenog kisika manja (slika 1.1.). Količina kisika otopljenog u vodi također ovisi i o atmosferskom tlaku i solima otopljenim u vodi. Za procjenu stanja vode mjeri se količina kisika otopljenog pri određenoj temperaturi te se računa postotak zasićenosti kisika u odnosu na najveću moguću koncentraciju kisika za zadanu temperaturu i atmosferski tlak. Pri konstantnom atmosferskom tlaku zasićenje pri zadanoj temperaturi trebalo bi iznositi 100 posto. Slika 1.1. Zasićenje vode kisikom pri normalnom atmosferskom tlaku [2] Smanjeno prozračivanje nižih slojeva uzrokuje vrijednosti niže od 100-postotnog zasićenja kisikom. Do toga može doći ukoliko su dubine vode velike ili je razgradnja 7

organskih tvari u vodnom sustavu zbog dotoka otpadne tvari povećana. Zasićenje kisikom može biti i veće od 100 posto. Takva se pojava naziva supersaturacija vode kisikom, a do nje dolazi kada su procesi fotosinteze vrlo intenzivni. Kisik se otapa na granici između tekuće i plinovite faze. Što je veća površina vode odnosno što je veće rasprskavanje vode, to je veće otapanje. Koncentracije otopljenog kisika u vodi izražavaju se u mg/l. [1][2][3] POTROŠNJA KISIKA U VODNOM SUSTAVU Potrošnju otopljenog kisika uzrokuje disanje makroorganizama nastanjenih u ekosustavu kao i mikroorganizmi razlagači koji kisik troše za razgradnju organske tvari potrebne za njihov rast i razvoj. Dakle, ispuštanjem otpadnih voda u prijemnike može doći do osjetnog smanjenja otopljenog kisika, a u ekstremnim situacijama može i sasvim nestati. Zbog toga se pojavljuje potreba da se on obnovi otapanjem iz zraka ili fotosintezom. Obnavljanje kisika (stupanj reaeracije) ovisi o manjku kisika otopljenog u vodi, o temperaturi vode i tlaku zraka. Reaeracija je usporena ukoliko je sadržaj otopljenog kisika u vodi veći. Obnavljanje kisika također usporavaju otpadne vode s povišenom temperaturom, jer je kisik slabije topiv u toploj nego u hladnoj vodi. Nadalje, ukoliko se sadržaj otopljenih soli povećava, količina kisika što ga voda može otopiti se smanjuje. Reaeracija također može biti znatno smanjena ukoliko na vodenoj površini ima raznih plivajućih materijala (ulja, masnoća), tvrdih detergenata, koloidnih i lebdećih tvari koje formiraju opnu i sprječavaju adsorpciju. Kada se u vodni sustav ispusti određena količina organske tvari, zbog njene razgradnje dolazi do postupnog smanjenja otopljenog kisika do neke vrijednosti. Ta vrijednost ovisi o kakvoći vode tj. odnosu čiste vode prema organskoj tvari. Ako su količine otpadnih voda i organskih tvari u njima male u usporedbi sa količinom vode (protokom) u prijemniku, tada će u prijemniku biti dovoljno kisika za aerobnu razgradnju organske tvari. Doći će do pojave samopročišćavanja prijemnika, a prvobitne osobine prijemnika neće se poremetiti (izuzev bakteriološke zagađenosti). U vodnim sustavima sa nedovoljnom količinom otopljenog kisika dolazi do anaerobne razgradnje koja uključuje truljenje, neugodne mirise i slično. Prema tome, količina otopljenog kisika predstavlja temeljni kriterij čistoće, odnosno onečišćenja vodnog sustava. [1][2] 8

Slika 1.2. Krivulja vrijednosti deficita otopljenoga kisika u vodotoku u funkciji vremena [2] 9

Slika 1.2. prikazuje grafički prikaz odnosa otopljenog kisika u prijemniku i vremena ispuštanja otpadnih voda u taj prijemnik. Krivulja reaeracije označena s R prikazuje ukupnu količinu obnovljenog kisika koje je vodotok otopio od trenutka ulaska otpadne tvari do proizvoljnog trenutka ''t'' nakon toga. Brzina reaeracije kreće se oko 2 g/m 2 /24h, kod stajaćih voda zaštićenih od vjetra, do 20 g/m 2 /24h u vodotocima većih brzina. Krivulja označena s D predstavlja kumulativan gubitak kisika iz vode koji je u nekom trenutku utrošen na procese oksidacije organske tvari. Polazi se od pretpostavke da, prije ulaska otpadne vode u prijemnik, postoji neki početni deficit kisika D0. Zbog toga krivulja D ne počinje s vrijednošću 0. Razlika između krivulje deoksigenizacije i krivulje reaeracije daje krivulju pada kisika ili bilancu kisika u prijemniku. Ta krivulja pokazuje koliki je deficit kisika otopljenog u vodi u svako doba, počevši od početnog deficita pa na dalje. [2] 1.2.2. BIOKEMIJSKA POTROŠNJA KISIKA BPK5 Količina kisika potrebna da se biološki razgradi organska tvar pomoću mikroorganizama naziva se ''biokemijska potrošnja kisika'' BPK. Potpuna razgradnja organske tvari traje vrlo dugo zbog čega se za praktične primjene određuje ''petodnevna biokemijska potreba kisika'' BPK5. Određuje se postupkom koji obuhvaća razrjeđivanje relativno male količine otpadne vode u znatno većoj količini destilirane vode bogate otopljenim kisikom. Takvu je smjesu potrebno držati u boci bez zraka 5 dana na temperaturi od 20 C. Potom je potrebno odrediti koliko je otopljenog kisika potrošeno čija se količina izražava u miligramima kisika po litri otpadne vode. BPK5 bitan je pokazatelj jer služi kao mjerilo opterećenja površinski i otpadnih voda organskom tvari, kao i uspješnosti rada uređaja za pročišćavanje otpadnih voda. Za vodne ekosustave važan je odnos kisika (O2) i organskog opterećenja (BPK). Glavni čimbenici i procesi koji na taj odnos utječu su Sunčeva energija, dotok otpadne i površinske vode, vodeni organizmi, alge, zelene biljke, hranjive soli (ponajprije fosfor i dušik), nitrifikacija, denitrifikacija, fotosinteza, prozračivanje, razgradnja organske tvari i slično. Koncentracija kisika potrebnog za biološku razgradnju organske tvari izražava se u mg/l. [1][2][3] 10

1.2.3. TEMPERATURA OTPADNE VODE Temperatura vode ima višestruko značenje, kako za procese u vodnom sustavu tako i za njenu uporabu. O temperaturi ovise fizikalna i kemijska svojstva vode. U vodnim sustavima povećanjem temperature ubrzavaju se biokemijski procesi. Toplije vode sadržavaju manje kisika, pa nagla povećanja kisika mogu dovesti do poremećaja u biološkom ciklusu vodnog sustava. Povećanje temperature prirodnih voda nastaje ispuštanjem rashladnih voda industrije, objekata za proizvodnju energije pa čak i povratne vode pri navodnjavanju. Temperatura vode mjeri se termometrima, izražava u stupnjevima Celzija ( C) ili Kelvina (K). Primjerice, temperatura sanitarnih otpadnih voda je povišena zbog uporabe tople vode u kuhinjama i kupaonicama te zbog procesa biorazgradnje. Prema nekim ispitivanjima, srednja godišnja temperatura sanitarne otpadne vode iznosi od 11,6 C do 20,5 C. Nadalje, rashladne vode, koje odvode višak topline u industrijskim ili energetskim postrojenjima, također predstavljaju toplinsko onečišćenje vodnih sustava. [1][2][3] 1.2.3. AMONIJAK NH3 I NITRATI NO3 U vodnim sustavima gdje postoje dovoljne količine otopljenog kisika odvijaju se postupci razgradnje organske tvari od amonijaka do nitrita i nitrata. Taj se postupak naziva nitrifikacija. Amonijak se u vodi nalazi kao otopljen plin te je u ravnoteži sa amonij-ionom NH4 + što ovisi o ph vrijednosti i temperaturi vode. Amonijak nije poželjan u vodi jer troši kisik za daljnju razgradnju te povećava rizik od eutrofikacije. Može biti otrovan za neke ribe i druge vodne organizme te je korozivan za metal. Amonijak u vodi također je nepovoljan pri dezinfekciji klorom zbog stvaranja spojeva kloramina koji su za neke vodne organizme opasniji od klora. U prirodnim vodama amonijak je pokazatelj svježeg onečišćenja. Nitrati u vodi nastaju oksidacijom amonijaka, preko nitrita, a njihove koncentracije mogu se povisiti ispiranjem s poljoprivrednih površina te ispuštanjem otpadnih voda ljudi i životinja u vodne sustave. Nitrati su otrovni za male životinje i djecu. Ako voda za piće sadrži veće količine nitrata može izazvati bolest methemoglobinemiu, poznatu 11

još pod nazivom ''plavo dijete''. Nitrati u vodi pokazatelj su davnog zagađenja organskom tvari, a u duboko zaštićenim podzemnim vodama zajedno sa nitritima mogu biti posljedica geološko-kemijske aktivnosti. Također, nitrati prisutni u otpadnoj vodi ometaju biološko uklanjanje fosfora. Koncentracije amonijaka i nitrata izražavaju se u mg/l. [1][3] 1.2.4. FOSFOR P Fosfor u vodi nalazi se u obliku ortofosfata, polifosfata i organski vezanog fosfora koji može biti otopljeni ili partikularni. Prirodne vode obogaćuju se fosfatima razgradnjom organske tvari, ispiranjem zemljišta, naročito poljoprivrednih gdje se primjenjuju umjetna gnojiva. Zbog upotrebe deterdženata u kućanstvima i industriji, otpadne vode predstavljaju značajan izvor fosfata. Fosfati se u vodnim sustavima razgrađuju, ali vrlo sporo. Nisu otrovni te ne predstavljaju opasnost za ljudsko zdravlje. Međutim, fosfatima se povećava proizvodnja prvoredne organske tvari, što u posebnim uvjetima može dovesti do eutrofnog pa i distrofnog stanja ekosustava. Koncentracije fosfornih spojeva izražavaju se u mg/l. [1][3] 1.3. KAKVOĆA VODA HRVATSKIH RIJEKA Ispitivanja kakvoće voda rijeka i jezera u Hrvatskoj u razdoblju od godine 2000. do 2006. provodila su se na oko 270 u 2000., a na 344 mjernih postaja u 2006. godini. Na pojedinoj mjernoj postaji razlikovao se prekogranični (PGM), nacionalni (NM) lokalni monitoring. Provedeno je ispitivanje pokazatelja koji određuju opću ekološku funkciju voda (režim kisika, hranjive tvari, mikrobiološki i biološki pokazatelji) te dodatnih pokazatelja (metali, organski spojevi, radioaktivnost) prema posebnim programima. U razdoblju od 2000. do 2006. godine vode su, prema biološkim pokazateljima bile većinom II., po režimu kisika i hranjivim tvarima II. i III., a prema mikrobiološkim pokazateljima III. i IV. vrste kakvoće (slika 1.3.). Samo na manjem broju mjernih postaja kakvoća voda izrazito je odstupala od planirane vrste. Koncentracija metala mjerena je na više od 40% mjernih postaja. Prema većini ispitivanih metala voda je bila I. i II. vrste kakvoće, a najnepovoljnije vrijednosti izmjerene su za olovo, bakar i 12

kadmij. Lošija ocjena prema nekim teškim metalima (živi, olovu i povremeno kadmiju) posljedica je nedovoljno osjetljive analitičke opreme zbog koje kod velikog broja uzoraka nije bilo moguće izmjeriti prirodne koncentracije. Najnepovoljnije vrijednosti analiziranih organskih spojeva bile su najčešće izmjerene za mineralna ulja. Vrijednosti ostalih organskih spojeva uglavnom su bile ispod granica detekcije. U 2002. godini, na nekim mjernim postajama na rijeci Savi izmjeren je atrazin u povišenim koncentracijama. Slika 1.3. Stanje kakvoće voda prema biološkim pokazateljima [4] Za potrebe ocjene opće ekološke funkcije vode sustavno se prati stanje voda izvorišta. Izvorišta koja se ispituju u okviru nacionalnog monitoringa kakvoće kopnenih voda upućuju i na stanje kakvoće u izvorišnom dijelu rijeke i na stanje kakvoće voda vodonosnika. Zbog toga su ocijenjena i prema kriterijima za površinske vode i prema kriterijima za podzemne vode Uredbe o klasifikaciji voda. Prema kriterijima za površinske vode (režim kisika, hranjive tvari, biološki pokazatelji), tijekom razdoblja od 2000. do 2006. godine vode izvorišta pretežno su svrstane u I. i II. vrstu, prema mikrobiološkim pokazateljima u II. i III. vrstu, a samo na manjem broju mjernih postaja 13

u IV. i V. vrstu (tablica 1.1.). Prema ispitivanim metalima vode izvorišta svrstavaju se u I. i II. vrstu, a prema organskim pokazateljima uglavnom su I. vrste. Tablica 1.1. Ocjena kakvoće voda na graničnim mjernim postajama u godini 2006. [4] Na temelju redovitih godišnjih izvještaja o rezultatima ispitivanja kakvoće vode u Republici Hrvatskoj, vidljivo je da se u razdoblju od 2000.-2006. godine bilježi blago poboljšanje kakvoće površinskih voda i to pokazatelja iz skupine režima kisika i hranjivih tvari. [4] Slika 1.4. Ocjena stanja kakvoće voda izvora kao površinskih voda (2000.-2006.) [4] 14

1.4. MJERE ZAŠTITE KAKVOĆE HRVATSKIH VODA Prije uključivanja Hrvatske u Europsku uniju, zaštita voda provođena je na temelju Državnog plana za zaštitu voda, koji uključuje aktivne i pasivne mjere u zaštiti voda i mora od onečišćenja s kopna. Neke od mjera su: opće administrativne mjere, mjere za sprječavanje u smanjenje onečišćenja voda, mjere za očuvanje kakvoće voda, provedbene mjere, mjere za slučajeve izvanrednih i iznenadnih onečišćenja, plan građenja objekata za zaštitu voda te izvore i načine financiranja. Pasivne mjere zaštite voda čine sustavi za prikupljanje, pročišćavanje i dispoziciju otpadnih i oborinskih voda koji obuhvaćaju vodne građevine za zaštitu voda, uređaje za prethodno pročišćavanje industrijskih voda te uređaje za pročišćavanje otpadnih voda stanovništva i industrije. Smanjivanje točkastih i raspršenih izvora onečišćenja postiže se aktivnim mjerama za zaštitu voda. Aktivne mjere obuhvaćaju planiranje iskorištavanja voda i prostora kao i kontroliranu upotrebu cijelog niza tvari u različitim društvenim granama, posebice poljoprivredi. Državnim planom za zaštitu voda određeni su nositelji propisanih mjera i potrebni propisi, koji pridonose mjerama zaštite voda od onečišćenja. Na zaštićenim područjima primjenjuju se strože i složenije mjere zaštite voda u odnosu na mjere koje se provode na cijelom području Hrvatske. Na lokalnoj razini, osnova planiranja zaštite voda predstavljaju županijski planovi za zaštitu voda s mjerama zaštite voda i odlukama o odvodnji otpadnih voda. Za većinu županija izrađene su studije zaštite voda, odnosno studije odvodnje i pročišćavanja otpadnih voda, kao podloga za izvedbu županijskih planova zaštite voda. Uspješnost zaštite voda iz točkastih izvora onečišćenja izravno ovisi o izgrađenosti sustava javne odvodnje definiranog kao sustavno i organizirano sakupljanje otpadnih voda, pročišćavanje i ispuštanje u prijemnike. Također ovisi i o obradi i zbrinjavanju mulja koji nastaje u procesu pročišćavanja. Prema podacima iz 2007. godine, u naseljima većim od 10 000 stanovnika, priključenost stanovništva na javne sustave odvodnje donekle je zadovoljavajuća. Razina priključenosti iznosi oko 75-80%. Od ukupno 295 naselja sa izgrađenim kanalizacijskim sustavom, njih 131 (44%) posjeduje i uređaj za pročišćavanje otpadnih voda, različitih prema stupnju izgrađenosti i kapacitetu. Također, velik dio industrije izgradio je samostalne uređaje za pročišćavanje otpadnih voda prilagođene specifičnim karakteristikama otpadne vode. 15

Uspješnost zaštite voda iz raspršenih izvoda onečišćenja ovisi o učinkovitosti mjera kontrole kretanja i korištenja opasnih i hranjivih tvari, te mjera zaštite koje se provode na drugim izvorima onečišćenja (otpad, onečišćenje zraka, oborinske vode itd.) Najvažnija mjera za kontrolu raspršenih izvora onečišćenja jest vodopravna dozvola za proizvodnju i stavljanje u promet kemijskih tvari i njihovih pripravaka koji služe za zaštitu bilja. U tu skupinu proizvoda svrstavaju se sve one kemijske tvari i pripravci koji se koriste u svrhu zaštite, dezinfekcije, čišćenja, pranja, odmašćivanja, odleđivanja cesta, te niz drugih pripravaka koje izravno ili neizravno dospijevaju u vode. Vodopravnim se dozvolama propisuje i provedba drugih mjera zašite voda u skladu sa karakteristikama pojedinog izvora onečišćenja. Nakon uključivanja Hrvatske u europske, zakonodavne i institucionalne okvire i standarde, predviđeno je poduzimanje niza promjena u skladu sa europskim standardima. Za vodno gospodarstvo to znači uređenje vodnog režima i stavljanje vodnih resursa u funkciju poboljšanja kvalitete života stanovništva i održivog razvoja. Zbog nedovoljne priključenosti stanovništva na sustav javne odvodnje (u odnosu na druge europske države), nužna su značajna ulaganja u razvoj vodnokomunalnih sustava u Hrvatskoj kako bi se postupno dostigli europski zahtjevi. Ulaganja su također nužna za izgradnju uređaja za pročišćavanje jer se veći dio otpadnih voda ispušta iz sustava prikupljanja i odvodnje otpadnih voda bez pročišćavanja u prirodne prijemnike, te se na taj način ugrožava dobro stanje voda. Mjere zaštite voda planiraju se prema načelima integralnog upravljanja vodama na vodnim područjima. Predviđeno je sustavno praćenje stanja voda i njihovih promjena, a sukladno tome i provođenje zaštitnih mjera. Strateške odrednice upućuju na nužnost upravljanja izvorima onečišćenja. Zaštita voda provodit će se smanjenjem i kontrolom točkastih i raspršenih izvora te provedbom aktivnih mjera zaštite. Upravljanje izvorima onečišćenja će se provoditi smanjenjem i uklanjanjem opasnih tvari zavisno o njihovoj toksičnosti, razgradivosti i bioakumulativnosti, čime će se ostvariti dobro stanje voda. Prioritetne aktivnosti za smanjivanje onečišćenja iz točkastih izvora jesu razvoj sustava javne odvodnje, unaprjeđenje usluga pročišćavanja otpadnih voda, posebice industrijskih otpadnih voda, te zbrinjavanje mulja i multidisciplinarno planiranje odlagališta mulja s uređaja za pročišćavanje otpadnih voda. Zaštita voda od onečišćenja iz raspršenih izvora obuhvaća provedbu mjera za smanjene onečišćenja sa poljoprivrednih površina (onečišćenja hranjivim tvarima i 16

sredstvima zaštite bilja, od erozije zagađenih tala, od nekontroliranog odlaganja otpada kao i od oborinskog otjecanja iz urbanih i ruralnih područja te s prometnica. [4] 17

2. MODELIRANJE KAKVOĆE VODE 2.1. OPIS MODELIRANOG PODRUČJA Drava je srednjoeuropska Rijeka koja izvire u južnom Tirolu u Italiji, nastavlja teći prema istoku kroz austrijsku pokrajinu Korušku, Sloveniju, Hrvatsku, a zatim dijelom uz hrvatsko-mađarsku granicu. Kod Donjeg Miholjca Drava se odvaja od granice i skreće u dubinu Hrvatske, prema Osijeku te kod Aljmaša, na granici Hrvatske sa Vojvodinom, utječe u rijeku Dunav. Ukupna slivna površina rijeke Drave iznosi 42 238 km 2, a dužina 725 km. Izvor joj se nalazi na 1175 m nadmorske visine, a ušće i Dunav na visini od 82 m. Kišno-ledenjačkog je režima s malom vodnom količinom zimi i velikom krajem proljeća i početkom ljeta. Drava u Hrvatsku ulazi kod naselja Dubrava Križovljanska, a završava ušćem u Dunav kod Aljmaša. Ukupna visinska razlika od ulaska u Hrvatsku do ušća iznosi 105 m, a dužina toka oko 323 km. Na ulazu u Hrvatsku srednji protok Drave je 315 m 3 /s, kod Botova nakon ušća najvećega pritoka Mure 530 m 3 /s, a kod ušća u Dunav 580 m 3 /s. [5] Provedeno je modeliranje dionice rijeke Drave od 00+543 rkm do 69+118 rkm. Na ovom potezu Drava prolazi kroz naselja kao što su Donji Miholjac, Bistrinci, Osijek i Nemetin. Na spomenutim područjima postavljene su vodomjerne postaje za mjerenje vodostaja rijeke Drave kao i njenih fizikalnih, kemijskih i bioloških pokazatelja (slika 2.1.). Dobivena mjerenja poslužila su pri modeliranju kakvoće vode rijeke Drave. Ostala područja bitna za modeliranje kakvoće Drave jesu ispust otpadnih voda preko uređaja za pročišćavanje u Belišću, kišni preljevi u Osijeku te direktan ispust otpadnih voda nizvodno od Osijeka. Uređaj a pročišćavanje Belišće ispušta pročišćenu otpadnu vodu u Dravu dok se otpadna voda nepročišćena ispušta preko direktnog ispusta Osijeku, a za vrijeme kišnih razdoblja i preko kišnih preljeva. Navedena otpadna voda u određenoj mjeri utječe na kakvoću vode rijeke Drave zbog čega se i unosi u model. 18

Slika 2.1. Lokacije i oznake vodomjernih postaja na rijeci Dravi Detalji situacije analizirane dionice rijeke Drave od 00+543 rkm do 69+118 rkm dani su u prilozima (Prilog 1. a),b)). Detaljna situacija promatrane dionice nalazi se u elektroničkom obliku na priloženom CD-u. 2.2. NUMERIČKI MODEL MIKE 11 Za analizu kakvoće vode rijeke Drave korišten je programski paket MIKE 11 razvijen u Danskom Hidro Institutu GODINA (DHI). MIKE 11 numerički je model jednodimenzionalnog nestacionarnog tečenja u otvorenim vodotocima. Glavna područja primjene ovog programskog paketa obuhvaćaju analizu poplava i ublažavanje šteta, analiza sloma brana, pronos nanosa, procjene kakvoće vode u rijekama i jezerima, pojava saliniteta u rijekama i estuarijima itd. Osnovna karakteristika MIKE 11 njegova je integrirana modularna struktura sa različitim osnovnim i dodatnim modulima koji simuliraju razne pojave u riječnim sistemima. Pored osnovnog hidrodinamičkog modula (HD) postoje i dodatni moduli za hidrologiju (RR), advekciju-disperziju (AD), analizu kakvoće vode (WQ) i pronos nanosa (ST). Osnovni HD modul daje rješenja hidrodinamike strujanja na modeliranom području. AD modul služi za analizu advektivno disperzivnog prijenosa topline i mase 19

otopljenih ili suspendiranih tvari (bilo koje vrste) i to na osnovu dobivene slike strujanja iz HD modula. WQ modulom provodi se analiza prostorne i vremenske raspodjele koncentracija onečišćivača, a koji se ponovno oslanja na rješenja dobivena iz HD i AD modula. [6][7] 2.2.1. HIDRODINAMIČKI MODUL (HD) Hidrodinamički modul čini jezgru programskog paketa i rješava ili potpune hidrodinamičke (Saint Venant) jednadžbe ili jednadžbu difuznog odnosno kinematičkog vala. Potpune hidrodinamičke jednadžbe dane su izrazima: A t + Q = q (1) x Q t + h x (αq2 ) + ga A x + gq Q C 2 AR = 0 (2) Gdje je: Q protok A površina poprečnog presjeka t vrijeme q lateralni dotok po dužini jedinice g gravitacijsko ubrzanje h dubina x udaljenost u pravcu toka C Chezy koeficijent otpora R hidraulički radijus α koeficijent brzine Programski paket MIKE 11 za rješavanje jednadžbi (1) i (2) koristi metodu konačnih razlika i to implicitnu Abbott Ionescu shemu (1967) dijeleći kanal na niz segmenata po dužini. Dionice su podijeljene čvorovima gdje svaki čvor predstavlja naizmjence protok Q i dubinu vode h. Točke protoka su uvijek smještene na polovini razmaka između točaka dubine h čije se međusobne udaljenosti mogu razlikovati (slika 2.2.) (slika 2.3.).. [6][7] 20

Slika 2.2. Dionica vodotoka sa shemom čvorova protoka i dubine vode [6] Slika 2.3.Proračunska Abbott shema sa 6 točaka prikazana na primjeru jednadžbe kontinuiteta [7] 21

2.2.2. ADVEKTIVNO DISPERZIVNI MODUL (AD) AD modul temelji se na jednodimenzionalnoj jednadžbi očuvanja mase otopljenih ili suspendiranih tvari (npr. soli ili kohezivnih sedimenata). Preko ovog modula je također moguća i simulacija nekonzervativnih supstanci koje linearno propadaju. Jednodimenzionalna jednadžba advekcije disperzije glasi: AC t Gdje je: + QC x C (AD x x ) = AKC + C 2q (3) Q protok C koncentracija tvari D koeficijent disperzije A površina poprečnog presjeka K linearni koeficijent raspadanja C2 izvor/izljev koncentracije q lateralni dotok x udaljenost u pravcu toka t vrijeme Jednadžba (3) opisuje dva transportna procesa: advektivan (ili konvektivan) i disperzivan transport te se rješava numerički primjenom implicitne sheme konačnih razlika što dovodi do zanemarive numeričke disperzije. Jedna od glavnih pretpostavki na kojima se temelji jednadžba advekcije disperzije jest trenutno miješanje promatrane tvar po cijelom poprečnom presjeku. Na mjestu izljeva tvari određene koncentracije ona je odmah pomiješana duž cijelog poprečnog presjeka. Nadalje, AD modul preuzima izlazne podatke kao svoje ulazne podatke (vremenski i prostorni podaci za protok, vodostaj, površinu poprečnih presjeka te hidraulički radijus), dok je koeficijent disperzije D opisan kao funkcija srednje brzine V te glasi[6][7]: D = av b (4) Gdje je: a faktor disperzije b eksponent disperzije 22

2.2.3. MODUL KVALITETE VODE (WQ) Modul kvalitete vode WQ vezan je za AD modul. Rješava sustav povezanih diferencijalnih jednadžbi koje opisuju fizikalne, kemijske i biološke procese u vodotocima uključujući razgradnju organskih tvari, fotosintezu, nitrifikaciju i izmjene kisika s atmosferom. Moguće je izabrati jedan od šest razina modela gdje svaka razina analizira drukčiji set varijabli vezanih za kakvoću vode ili drukčije opisuje transformaciju varijabli u vodotoku, ovisno o potrebama numeričkog modela. Modul kvalitete vode bavi se temeljnim aspektima kvalitete vode rijeka u područjima pod utjecajem ljudske aktivnosti. [6][7] 2.3. ULAZNI PODACI U programski paket MIKE 11 unesena je podloga u stvarnom mjerilu sa iscrtanim obalama rijeke Drave radi lakše orijentacije i što preciznijeg unosa poprečnih presjeka (slika 2.4.) Prema dogovoru, unesena su u prosjeku tri poprečna presjeka po riječnom kilometru. Na temelju susjednih presjeka aproksimirane su dimenzije između njih. Ondje gdje je predviđen poprečni presjek označena je točka za unos njegovih koordinata. Poprečni presjeci prikazani su preko koordinata koje prikazuju nadmorsku visinu te širinu pojedinog presjeka. Označene točke spojene su 'granama' koje u konačnici tvore glavnu granu odnosno rijeku Dravu. U svaku od navedenih točaka bilo je potrebno unijeti i pripadajuću stacionažu. 23

32000 Untitled 30000 28000 26000 24000 22000 20000 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 DravaBranch 0-68575 4000 2000 0 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 60000 Slika 2.4. a) Tlocrt modelirane dionice Drave sa označenim mjestima unosa poprečnih presjeka u programskom paketu MIKE 11 b) Detalj modelirane dionice Drave sa označenim mjestima unosa poprečnih presjeka u programskom paketu MIKE 11 24

Slika 2.5. Prikaz unosa poprečnih presjeka u programski paket MIKE 11 Slika 2.5. prikazuje korisničko sučelje programskog paketa MIKE 11 za uređivanje poprečnih presjeka. Koordinate točaka pojedinog presjeka unose se u obliku tablice koja se nalazi s lijeva. Pri definiranju svakog presjeka također je potrebno upisati i njegovu stacionažu. S desne strane dan je grafički prikaz presjeka. Slika 2.5. prikazuje najuzvodniji presjek označen debelom crnom crtom. Jedan od nadolazećih presjeka prikazan je svijetlo sivom bojom iza najuzvodnijeg. Također je i blijedo prikazan položaj najnizvodnijeg presjeka (skroz desno) u odnosu na prvi presjek. Nakon definiranja dimenzija modela promatrane dionice rijeke Drave, bilo je potrebno unijeti rubne uvjete. Presjeci na stacionažama 69+118 rkm i 00+543 rkm predstavljaju krajnje presjeke na kojima su definirani rubni uvjeti. Za uzvodni rubni uvjet zadan je minimalni zabilježen protok u iznosu od Qmin = 152 m 3 /s dok je nizvodni definiran vodostajem s apsolutnom kotom od 79.00 m.n.m. Uzvodno su također određeni parametri kakvoće vode dobiveni na temelju rezultata mjerenja na vodomjernoj postaji Donji Miholjac 2003. godine (tablica 2.1.)(Prilog 14.). Svrha modeliranja kakvoće vode rijeke Drave je predviđanje kritičnih situacija i njihovih ishoda. Zbog toga su odabrane vrijednosti za koje vrijedi da je 90% izmjerenih podataka manje odnosno veće. 25

Tablica 2.1. Vrijednosti parametara kakvoće vode definirane na uzvodnom rubnom uvjetu otopljeni kisik O 2 (mg/l) 8.28 T ( C) 22.7 NH 3 (mg/l) 0.29 N0 3 (mg/l) 2.89 otopljeni fosfor (mg/l) 0.17 partikularni fosfor (mg/l) 0.02 BPK 5 (mg/l) 5.57 Umjesto parametara kakvoće vode, nizvodna granica ostavljena je otvorena. Otvorenim granicama ostavljamo programu da sam proračuna ponašanje unesenih parametara što i je bit cijelog modeliranja. Kada bi parametri kakvoće vode nizvodno bili uneseni, vrijednosti istih bi samo skočile (ili pale) na zadane vrijednosti zbog čega ne bi bilo moguće vidjeti utjecaj rijeke na ponašanje parametara unesenih uzvodnije. Nadalje, definiran je ispust otpadnih voda na uređaju za pročišćavanje Belišće na stacionaži 54+373 rkm. Uneseni su parametri kakvoće pročišćene vode s protokom od 0,097 m 3 /s (tablica 2.2). Korišteni prosječni godišnji i mjesečni podaci dobiveni od grada Belišća za 2010. godinu. Na uređaj za pročišćavanje Belišće dolaze industrijske otpadne vode kombinata Belišće d.d. i komunalne otpadne vode Valpova, Belišća i Bistrinaca (Prilog 16.). Tablica 2.2. Vrijednosti parametara kakvoće pročišćene vode na uređaju za pročišćavanje Belišće otopljeni kisik O 2 (mg/l) 1.95 T ( C) 26.01 NH 3 (mg/l) 15 N0 3 (mg/l) 7 otopljeni fosfor (mg/l) 3.7 partikularni fosfor (mg/l) 0.6 BPK 5 (mg/l) 393.2 Direktan ispust otpadnih voda kod Osijeka zadnji je definiran ulazni podatak. Zbog manjka raspoloživih podataka vezanih za protok i kakvoću vode korišteni su oni dobiveni iskustveno iz tablica na temelju broja stanovnika i njihovog prosječnog opterećenja (tablica 2.3.). Ispust je definiran na stacionaži 14+580 rkm gdje protok otpadne vode iznosi 0,144 m 3 /s. 26

Tablica 2.3. Vrijednosti parametara kakvoće vode na direktnom ispustu kod Osijeka otopljeni kisik O 2 (mg/l) 2 T ( C) 25 NH 3 (mg/l) 15 N0 3 (mg/l) 50 otopljeni fosfor (mg/l) 27 partikularni fosfor (mg/l) 3 BPK 5 (mg/l) 719 Za potrebe ovog diplomskog rada konstruiran je pojednostavljeni model promatrane dionice rijeke Drave. Zanemaren je utjecaj svih pritoka na analiziranom potezu kao i ostali izvori onečišćenja koji u stvarnosti pridonose konačnim razinama parametara kakvoće vode. 2.4. KALIBRACIJA MODELA Kalibracija modela podrazumijeva usklađivanje rezultata modela sa izmjerenim rezultatima podešavanjem parametara modela. Kao što je navedeno, parametri kakvoće vode na nizvodnom presjeku nisu uneseni već je rubni uvjet ostao otvoren. Dobiveni rezultati parametara kakvoće vode (otopljeni kisik O2, BPK5) na nizvodnom presjeku uspoređeni su sa rezultatima dobivenima mjerenjem na lokaciji mjerne postaje Nemetin (Prilog 15.). Uočena su odstupanja modeliranih rezultata od stvarnih. Kako bi ponašanje modela bilo što bliže stvarnom ponašanju rijeke Drave, mijenjani su standardno podešeni koeficijenti vezani za oksidacijske i degradacijske procese sve dok se nisu dobili zadovoljavajući rezultati. Tablica 2.4. Vrijednosti parametara O 2 i BPK 5 prije i poslije kalibracije parametar prije poslije mjerenje otopljeni kisik O 2 (mg/l) 4.5 6.0 7.11 BPK 5 (mg/l) 1.8 2.5 7.26 Tablica 2.4. prikazuje vrijednosti parametara kakvoće vode na najnizvodnijem presjeku prije i poslije kalibracije modela. Vrijednost otopljenog kisika uspješno je podešena na zadovoljavajuću razinu sa odstupanjem od približno 15%. Otežano 27

podešavanje biološke potrošnje kisika možemo pripisati pojednostavljenom modelu promatrane dionice rijeke Drave gdje su unesena samo dva izvora onečišćenja (uređaj za pročišćavanje Belišće i direktan ispust Osijek) te rubni uvjet približno 70 km uzvodnije. U stvarnosti postoji više izvora onečišćenja duž spomenutog poteza koji onda pridonose povećanoj vrijednosti biološke potrošnje kisika. Slika 2.6. Prikaz koncentracija unesenih parametara na uzdužnom presjeku promatrane dionice rijeke Drave nakon kalibracije Slika 2.6. prikazuje ponašanje parametara kakvoće vode unesenih zajedno sa ostalim ranije definiranim ulaznim podacima. Plava linija predstavlja temperaturu vode koja na najnizvodnijem presjeku iznosi približno 22,7 C. Crvenom bojom označen je otopljeni kisik čija vrijednost iznosi 6,0 mg/l. Petodnevna biološka potrošnja kisika koju opisuje crna linija pala je na 2,5 mg/l. Vrijednosti nitrata (ružičasto) i amonijaka (zeleno) iznose 0,5 mg/l odnosno 0,01 mg/l. 28

2.5. SCENARIJI Modeliranje kakvoće vode rijeke Drave provedeno je za 2 scenarija. Scenariji se primjenjuju za modeliranje hipotetskih situacija i analizu njihovih rezultata. Modeliranjem scenarija dobivamo odgovor na pitanje kakav će utjecaj određena situacija, moguće stvarna, imati na područje od našeg interesa, u ovom slučaju rijeku Dravu na spomenutoj dionici. Općenito, predviđanjem ishoda takvih situacija omogućeno je planiranje potrebnih mjera unaprijed i potencijalno smanjivanje ili eliminiranje šteta prije njihova događanja. Oba scenarija uključuju ispuštanje otpadne vode različite kakvoće u Dravu. Ispuštanjem otpadne vode sa definiranim parametrima kakvoće vode te njenim protokom, analizirano je kako otpadna voda utječe na kvalitetu vode rijeke Drave, ali i kako se Drava ponaša sa novonastalim onečišćenjem. 29

2.5.1. SCENARIJ 1 Prvim scenarijem provjereno je kako prelijevanje otpadne vode grada Osijeka preko kišnih preljeva za vrijeme oborina utječe na kakvoću vode rijeke Drave. Osijek ima mješoviti sustav odvodnje sa osam rasteretnih ispusta odnosno kišnih preljeva (slika 2.7.). [8] Radi pojednostavljenja, u model su unesena tri kišna preljeva čiji su protoci dobiveni prema izrazu: Q n = A ψ i (5) Gdje je: Qn količina vode koja se prelijeva preko preljeva n (m 3 /s) A površina koju pokriva kišomjerna stanica (ha) Ψ koeficijent otjecanja (-) i intenzitet oborine (l/s/ha) Slika 2.7. Situacijski prikaz gradske površine sa označenim i numeriranim lokacijama kišnih preljeva u kanalizacijskom sustavu grada Osijeka [8] 30

Tablica 2.5. Vjerojatnost pojave intenziteta (l/s/ha) jakih oborina (GMS Osijek) [8] intenziteti (l/s/ha) OSIJEK (1959-1991) Log-Pearson III trajanje (minuta) 1 god 3 god 5 god 10 god 20 god 30 35 102 123 153 187 60 18 60 75 95 117 120 13 32 42 53 66 240 8 20 24 30 36 Tablica 2.6. Vrijednosti koeficijenta otjecanja i površina koje pokrivaju kišomjerne stanice [8] ψ 0.36 A1 (km 2 ) 2.49 A2 (km 2 ) 4.59 A3 (km 2 ) 0.48 Tablica 2.7. Vrijednosti preljevnih količina Q n na pojedinom preljevu u odnosu na trajanje i povratno razdoblje oborine 30min (m 3 /s) 60min (m 3 /s) PP Q 1 Q 2 Q 3 PP Q 1 Q 2 Q 3 1 god 3.137 5.783 0.605 1 god 1.614 2.974 0.311 3 god 9.143 16.854 1.763 3 god 5.378 9.914 1.037 5 god 11.026 20.325 2.125 5 god 6.723 12.393 1.296 10 god 13.715 25.282 2.644 10 god 8.516 15.698 1.642 20 god 16.763 30.900 3.231 20 god 10.488 19.333 2.022 120min (m 3 /s) 240min (m 3 /s) PP Q 1 Q 2 Q 3 PP Q 1 Q 2 Q 3 1 god 1.165 2.148 0.225 1 god 0.717 1.322 0.138 3 god 2.868 5.288 0.553 3 god 1.793 3.305 0.346 5 god 3.765 6.940 0.726 5 god 2.151 3.966 0.415 10 god 4.751 8.758 0.916 10 god 2.689 4.957 0.518 20 god 5.916 10.906 1.140 20 god 3.227 5.949 0.622 31

Zbog neraspoloživosti podataka o kakvoći preljevne vode grada Osijeka, uneseni su podaci dobiveni analizom kišnih preljeva u Slovačkoj. Scenarij 1 uključuje razdoblje od mjesec dana, gdje se predviđa kišna epizoda s početkom u 06.01.2015. u 00:00 i trajanjem u skladu s trajanjem kiše koja se unosi. Vrijednosti proračunatih protoka definirane su u tablici 2.7., a koncentracije unesenih parametara dane su tablicom 2.8. Tablica 2.8. Vrijednosti unesenih parametara kakvoće preljevne vode otopljeni kisik O 2 (mg/l) 2 T ( C) 25 NH 3 (mg/l) 6.21 N0 3 (mg/l) 1.28 otopljeni fosfor (mg/l) 2.37 partikularni fosfor(mg/l) 0.26 BPK 5 (mg/l) 175 Literatura iz koje su preuzeti podaci o kakvoći vode navode samo ukupni fosfor, koji je za potrebe modeliranja podijeljen na otopljeni i partikularni u omjeru 90:10. Modeliranje je provodeno pod pretpostavkom da su prelijevne količine i koncentracija navedenih parametara konstantni tokom razdoblja trajanja oborine i da važe ulazni podaci definirani u poglavlju 2.3. (slika 2.8.). Slika 2.8. Primjer unesenih podataka u programskom paketu MIKE11 32

Slika 2.9. Shematski prikaz podataka unesenih za potrebe modeliranja scenarija 1 u programskom paketu MIKE11 Slika 2.9. prikazuje tlocrt analiziranog područja rijeke Drave sa naznačenim mjestima unosa parametara modeliranih u programskom paketu MIKE 11 za scenarij 1. U programu su definirani redom: 1 ~ Rubni uvjet protok i parametri kakvoće vode u presjeku na stacionaži 69+118 2 ~ Protok i parametri kakvoće pročišćene vode na uređaju za pročišćavanje Belišće 3 ~ Protok i parametri kakvoće otpadne vode na tri kišna preljeva u Osijeku 4 ~ Ispust otpadne vode nizvodno od Osijeka 5 ~ Rubni uvjet vodostaj i otvoreni uvjeti objašnjeni u poglavlju 2.3. 33

2.5.2. SCENARIJ 2 Scenarij 2 predstavlja ekstremnu incidentnu situaciju. Kako bi kvar na uređaju za pročišćavanje kod Belišća u trajanju od dva dana utjecao na rijeku Dravu. Pretpostavka je da će se tokom dva dana kvara na uređaju kućanska otpadna voda i industrijska otpadna voda iz obližnje tvornice papira ispuštati direktno u rijeku Dravu bez pročišćavanja (slika 2.10.). Kvar nastupa 16.01.2015. u 00:00h i traje do 18.01.2015. 23:59h. Za to vrijeme vrijede ulazni podaci iz poglavlja 2.3. uz iznimku kakvoće vode na uređaju za pročišćavanje. Kvaliteta vode je u ovom slučaju jednaka kakvoći nepročišćene vode (tablica 2.9.). Tablica 2.10. Vrijednosti parametara kakvoće nepročišćene vode na uređaju za pročišćavanje Belišće otopljeni kisik O 2 (mg/l) 1.95 T ( C) 26.01 NH 3 (mg/l) 30 N0 3 (mg/l) 24 otopljeni fosfor (mg/l) 8 partikularni fosfor(mg/l) 1.11 BPK 5 (mg/l) 1867.4 Slika 2.10. Raspored i vrijednosti protoka i koncentracija unesenih u MIKE11 za Scenarij 2 34

Slika 2.11. Shematski prikaz podataka unesenih za potrebe modeliranja scenarija 2 u programskom paketu MIKE11 Slika 2.11. prikazuje tlocrt analiziranog područja rijeke Drave sa naznačenim mjestima unosa parametara modeliranih u programskom paketu MIKE 11 za scenarij 2. U programu su definirani redom: 1 ~ Rubni uvjet protok i parametri kakvoće vode u presjeku na stacionaži 69+118 2 ~ Protok i parametri kakvoće nepročišćene vode na uređaju za pročišćavanje Belišće 3 ~ Ispust otpadne vode nizvodno od Osijeka 4 ~ Rubni uvjet vodostaj i otvoreni uvjeti objašnjeni u poglavlju 2.3. 35

3. REZULTATI I RASPRAVA Nakon unosa podataka proveden je proračun u programskom paketu MIKE11 koji je prošao bez prijavljenih grešaka. Dobiveni su rezultati za oba scenarija. 3.1. REZULTATI MODELIRANJA PREMA SCENARIJU 1 Na temelju dobivenih vrijednosti BPK5, otopljenog kisika i amonijaka duž rijeke konstruirane su ITP krivulje. ITP je kratica pojma intenzitet-trajanje-period. ITP krivulje predstavljaju familiju krivulja u kojoj svaka krivulja ima odgovarajuće povratno razdoblje. Na apscisi je trajanje koncentracije prikazanog parametra (BKP5, otopljeni kisik, amonijak) od 0 do približno 6 sati, a na ordinati intenzitet prikazanog parametra. Svaka krivulja predstavlja vrijednosti pri odgovarajućim trajanjima kiše (30,60,120 i 240minuta). ITP krivulje navedenih parametara konstruirane su za povratna razdoblja od 1,3,5,10 i 20 godina. Rezultati su pokazali da koncentracije BPK5 i amonijaka imaju najveće vrijednosti na dionici od 17+570 do 18+560. Sukladno tome, odabran je kritičan poprečni presjek na stacionaži 17+825. Vrijednosti dobivene na odabranom poprečnom presjeku korištene su pri izradi ITP krivulja. Za prikaz otopljenog kisika izabran je poprečni presjek na stacionaži 00+543. Nadalje, rezultati korišteni za izradu ITP krivulja su oni dobiveni za razdoblje od 06.01.2015. u 00:00h kada je opterećenje uneseno do 06.01.2015. u 23:590h kada su se koncentracije stabilizirale. Dobiveni rezultati poslagani su od najvećeg prema najmanjem za BKP5 i amonijak, odnosno od najmanjeg prema najvećem za otopljeni kisik i u takvom su redoslijedu korišteni pri konstruiranju krivulja. Razdoblje prije i poslije nije relevantno za ovaj zadatak. U nastavku su prikazane ITP krivulje BKP5, otopljenog kisika i amonijaka za povratno razdoblje od 1 godine. 36

koncentracija (mg/l) 6 5.9 5.8 5.7 5.6 5.5 5.4 5.3 5.2 5.1 30 min 60 min 120 min 240 min 5 0 50 100 150 200 250 300 t (min) Slika 3.1. ITP krivulje za koncentraciju otopljenog kisika (O 2, mg/l) u presjeku na stacionaži 00+543 i povratno razdoblje od 1 godine Slika 3.1. prikazuje promjenu koncentracija otopljenog kisika za različita trajanja oborinu u poprečnom presjeku na stacionaži 00+543. Glavninu onečišćenja kućanskih otpadnih voda predstavljaju tvari za čiju se razgradnju troši otopljeni kisik iz vode. Što je stupanj onečišćenja otpadnih voda organskom tvari veći to je koncentracija otopljenog kisika u vodi manja. Pri kratkotrajnoj oborini u trajanju od 30 minuta primjećujemo najniže vrijednosti otopljenog kisika (5,135 mg/l). Veći intenzitet uzrokuje veće prelijevanje preko kišnih prelijeva odnosno veće opterećenje rijeke kućanskim otpadnim vodama. Mikroorganizmi troše otopljeni kisik pri razgradnji organske tvari što uzrokuje njegov deficit. Pri oborini od 240 minuta vrijednost otopljenog kisika je nešto veća, odnosno 5,522 mg/l. Ova oborina uzrokuje manje opterećenje rijeke otpadnim vodama nego oborina kraćeg trajanja. Može se primijetiti postepeno povećanje koncentracije otopljenog kisika i njegova stabilizacija oko 5,911 mg/l. Poremećene koncentracije otopljenog kisika razmjerno se brzo vraćaju na vrijednosti prije onečišćenja (slika 2.5.). Nakon što mikroorganizmi razgrade svu organsku tvar, više nema potrebe za trošenjem otopljenog kisika. Također, koncentracije otopljenog kisika se mogu obnoviti iz zraka (dodirom zraka i slobodne vodne površine rijeke) te fotosintezom. 37

koncentracija (mg/l) 10 9 8 7 6 5 4 3 30 min 60 min 120 min 240 min 2 0 50 100 150 200 250 300 350 t(min) Slika 3.2. ITP krivulje za koncentraciju BKP 5 u presjeku na stacionaži 17+825 i povratno razdoblje od 1 godine Slika 3.2. prikazuje vjerojatnost promjenu koncentracija BPK5 za različita trajanja oborina na odabranom poprečnom presjeku u jednoj godini. Primjećujemo da kod kratkotrajne oborine jakog intenziteta u trajanju od 30 minuta početna vrijednost BPK5 iznosi 8,945 mg/l dok je kod oborine s trajanjem 240 minuta nešto niža, odnosno 5,08mg/l. Što oborina ima kraće trajanje to je intenzitet oborine veći. Veći intenzitet uzrokuje veće prelijevanje preko kišnih preljeva tj. veću koncentraciju BPK5. Također možemo primijetiti kako koncentracije s vremenom prvo opadaju nakon čega se stabiliziraju oko vrijednosti prije onečišćenja koja približno iznosi 2,587 mg/l (slika 2.5.). Uzrok ove pojave je prestanak oborine, čime prestaje i prelijevanje oborinske i kućanske otpadne vode preko kišnih preljeva odnosno potreba za povećanom biokemijskom potrošnjom kisika. Drugi uzroci su disperzija otpadne tvari te samopročišćavanje rijeke. 38

Slika 3.3. a) Prikaz koncentracija otopljenog kisika, amonijaka, nitrata NO3 i BPK5 te temperature po uzdužnom presjeku rijeke Drave neposredno nakon početka prelijevanja preko kišnih preljeva u trenutku 00:26h dana 06.01.2015. pri oborini u trajanju od 30 minuta s povratnim razdobljem od 1 godine u programskom paketu MIKE11 nakon provedenog proračuna b) Uvećan prikaz koncentracija otopljenog kisika (crveno) i BKP 5 (crno) sa slike 3.3. a) 39

Slika 3.4. a) Prikaz koncentracija otopljenog kisika, amonijaka, nitrata NO 3, BPK 5 te temperature po uzdužnom presjeku rijeke Drave u trenutku 08:47h dana 06.01.2015. pri oborini u trajanju od 30 minuta s povratnim razdobljem od 1 godine u programskom paketu MIKE11 nakon provedenog proračuna b) Uvećan prikaz koncentracija otopljenog kisika (crveno) i BKP 5 (crno) sa slike 3.4. a) 40