Εκτίμηση - κατάταξη της σεισμικής τρωτότητας των εγκαταστάσεων επεξεργασίας λυμάτων και διερεύνησή της ως προς τη ρύπανση εδαφικών και υδατικών πόρων

Abstract

The present thesis addresses the issue of rapidly assessing seismic vulnerability in Wastewater Treatment Plants (WWTPs) and proposes an original methodology that explores the variables influencing this vulnerability. It employs qualitative analysis through the "expert judgment" method. Globally, estimating the vulnerability of structures is a challenging task because of the multi-parametric nature of the variables involved in it. Until now, methods for determining seismic vulnerability have primarily concentrated on individual constructions or facilities, resulting in a time-consuming procedure. In Greece, the assessment of structural vulnerability for Public and non-profit Buildings progresses is notably slow. Additionally, evaluating vulnerability for WWTPs, other critical facilities and private buildings are non-existent and incomplete. This research underscores the need for a swift seismic vulnerability estimation methodology for WWTPs as analytical calculation methods are time-consuming and previous individual efforts have regrettably not seen practical or widespread application. The thesis aims to conduct pre-earthquake assessments and estimate the seismic vulnerability of WWTPs, focusing on their post-earthquake response. The ultimate objective is to enhance resilience against seismic disasters, optimize the operation of treatment systems, and ensure public health and safety maintenance. The originality of the thesis lies in developing a rapid qualitative estimation methodology for assessing the seismic vulnerability of WWTPs. This methodology is based on the "crisis of experts" approach, which involves identifying the most critical seismic vulnerability variables (along with their respective weighting factors). This identification process is conducted following a thorough review of the literature and a preliminary "pilot" study. To implement this methodology, a prototype Seismic Vulnerability Questionnaire, referred to as “Questionnaire ST” was designed and subsequently administered to a sample of 116 WWTPs’ Managers and Officers 9Sample 1). This sample was chosen using a proportional stratification method. The methodology approach is empirical, centering on investigating the seismic vulnerability estimation provided by WWTPs’ Managers and Operators regarding their facilities. The seismic vulnerabilities under examination exclusively pertain to the facility’s area, with a specific focus on Structural Vulnerability (SV), Non-Structural Vulnerability (NSV) and Operational Vulnerability (OV). The analysis includes the treatment stages of Primary, Secondary and Tertiary Wastewater Treatment, all based on adopted assumptions. Upon determining the seismic vulnerability of each WWTP denoted by indicator “DST”, a scale known as “KST” is constructed. The methodology’s capabilities are demonstrated by its specialization in investigating and assessing the seismic vulnerability of WWTPs, which have potentially contaminate soil and water resources (referred to as “REF”). Additionally, the methodology estimates the temporal dispersion of pollutants within 24 hours after a seismic event. Furthermore, a “KST-REF” scale is calculated as part of the assessment process. Targeting also involves the identification of the category of "experts" who should participate in the research, which is essential for enhancing reliability. To determine the most suitable "experts" for research participation, a corresponding questionnaire, the Standard Seismic Vulnerability Report (“TEST”), identical to Questionnaire ST, was developed. The “TEST” was distributed to a representative Sample 2, comprising 118 Environmental Impact Study Surveyors (“MPE”) specializing in WWTPs. This group differed from the Managers-Operators who participated in the "Questionnaire ST". The Seismic Vulnerability Scale was calculated based on the “TEST” questionnaire responses, referred to as “TEST/KST”. Additionally, a scale called “TEST/KST-REF” was also calculated. In any case, the statistical analysis encompassed various elements, including the utilization of descriptive statistics, the generation of statistical diagrams, and the computation of cumulative frequencies. The “KST” and “TEST/KST” values for the WWTPs were also derived as part of the process. Furthermore, all conceivable combinations of the results from Questionnaire ST and “TEST” and the corresponding calculations for potential post-earthquake “REF” were thoroughly examined. Additionally, correlations were performed by comparing the results of Questionnaire ST with those from an additional Re-evaluation Questionnaire that was administered to 40 recipients. Furthermore, the methodology's reliability was assessed by comparing its outcomes with existing vulnerability curves from HAZUS-MH, Panico et al., and Greek WWTPs (utilizing Syner-G). The WWTPs were grouped based on their characteristics, the Hazard Seismic Map (HSM) of WWTPs, or the characteristics of the Samples. Moreover, the results from Questionnaire ST were compared to earthquake data from Shakemaps and the EM-DAT database, including expected intensities from the HSM and casualty losses. Concerning the reliability of the methodology, the correlation between the results obtained from Questionnaire ST and “TEST” (as well as the corresponding correlations for "REF") was carefully examined. Additionally, correlations were performed by comparing the results of Questionnaire ST with those from an additional Re-evaluation Questionnaire that was administered to 40 recipients. Furthermore, the methodology’s reliability was assessed by comparing its outcomes with existing vulnerability curves from HAZUS-MH, Panico et al., and Greek WWTPs (utilizing Syner-G). The WWTPs were grouped based on their characteristics, Hazard Seismic Map (HSM) of WWTPs, or the characteristics of the Samples. Moreover, the results from Questionnaire ST were compared to earthquake data from Shakemaps and the EM-DAT database, including expected intensities from the HSM and casualty losses. Additionally, a telephone survey was conducted to assess effects using the “Questionnaire ST/TE” in 14 WWTPs from 2011 to 2022. The results of this survey were subsequently compared with recorded data after categorizing them into SV, MSV and OV. A careful selection of WWTPs was made for this comparison. Furthermore, the Questionnaire ST was administered to certain WWTPs. The methodology was applied explicitly to Egion WWTP, and the results for each case were evaluated. The most noteworthy findings were visually presented on 28 maps using Geographical Information Systems (GIS), and these results were further elaborated upon. In any case, the results have demonstrated the methodology’s effectiveness, indicating that it is sufficient and satisfactory for rapidly assessing the seismic vulnerability of WWTPs, mailly when the recipients are the responsible operators. This assessment can be achieved without incurring significant time and costs. The methodology also suggests preventive or corrective measures to mitigate the effects, tailored to each WWTP's "KST" category. The document also addresses uncertainties and provides recommendations for future research on this specific issue. This could be based on earthquake scenarios, broader external factors such as climate change, or the scale of seismic effects. It is noted that the state authorities should systematically and realistically prioritize the strengthening and upgrading of WWTPs' resilience at the prevention level, implementing appropriate protective measures. This approach will help mitigate seismic risks in the scientific field of natural disasters.

Η παρούσα διατριβή επιλύει το πρόβλημα της ταχείας εκτίμησης της σεισμικής τρωτότητας σε Εγκαταστάσεις Επεξεργασίας Λυμάτων (ΕΕΛ) και προτείνει κατάλληλη πρωτότυπη μεθοδολογία μέσω διερεύνησης των μεταβλητών που την επηρεάζουν, χρησιμοποιώντας την ποιοτική ανάλυση με τη μέθοδο της «κρίσης των ειδικών». Παγκοσμίως, η εκτίμηση της τρωτότητας των κατασκευών είναι ένα δυσεπίλυτο ζήτημα, λόγω της πολυπαραμετρικότητας των μεταβλητών που συμμετέχουν. Οι μέχρι σήμερα τρόποι εύρεσης της σεισμικής τρωτότητας επικεντρώνονται σε χρονοβόρες αναλυτικές μελέτες και διαδικασίες για συγκεκριμένες κατασκευές και εγκαταστάσεις. Στην Ελλάδα, εμπειρικές μέθοδοι όπως η εκτίμηση της δομικής τρωτότητας μέσω ταχέως οπτικού ελέγχου των Δημοσίων και κοινωφελούς χρήσης κτιρίων πραγματοποιείται με πολύ βραδείς ρυθμούς. Η εκτίμηση της τρωτότητας των ΕΕΛ, άλλων κρίσιμων εγκαταστάσεων αλλά και ιδιωτικών κτιρίων είναι ανύπαρκτη και ελλιπής. Η έρευνα αναδεικνύει την απαίτηση ύπαρξης μεθοδολογίας για την ταχεία εκτίμηση της σεισμικής τρωτότητας των ΕΕΛ.Σκοπός της διατριβής είναι ο προσεισμικός έλεγχος και η εκτίμηση της σεισμικής τρωτότητας των ΕΕΛ ως προς την μετασεισμική απόκρισή τους. Απώτερος σκοπός είναι η επαύξηση της ανθεκτικότητας έναντι σεισμικών καταστροφών, η καλή λειτουργία των συστημάτων επεξεργασίας και η διατήρηση της Δημόσιας Υγείας και Ασφάλειας. Η πρωτοτυπία της διατριβής έγκειται στη δημιουργία ταχείας μεθοδολογίας ποιοτικής εκτίμησης της σεισμικής τρωτότητας των ΕΕΛ με βάση την «κρίση των ειδικών», η οποία εμπεριέχει την ανάδειξη των σημαντικότερων μεταβλητών σεισμικής τρωτότητας (και των συντελεστών βαρύτητας αυτών) μετά από βιβλιογραφική και πιλοτική έρευνα. Δημιουργήθηκε και χορηγήθηκε πρωτότυπο Ερωτηματολόγιο Σεισμικής Τρωτότητας (Ερωτηματολόγιο ΣΤ) σε 116 Υπεύθυνους-Λειτουργούς ΕΕΛ (Δείγμα 1). Η προσέγγιση της μεθοδολογίας είναι εμπειρική καθώς βασίζεται στη διερεύνηση της εκτίμησης των Υπευθύνων-Λειτουργών ΕΕΛ για τη σεισμική τρωτότητα των εγκαταστάσεών τους. Όλες οι σεισμικές τρωτότητες που εξετάζονται αφορούν αποκλειστικά το χώρο των εγκαταστάσεων, και εστιάζουν στη Δομική Τρωτότητα (ΔΤ), στη Μη Δομική Τρωτότητα (ΜΔΤ) και στη Λειτουργική Τρωτότητα (ΛΤ). Εξετάζονται δε όλα τα στάδια επεξεργασίας των λυμάτων με βάση παραδοχές που υιοθετήθηκαν. Παρουσιάζονται οι δυνατότητες της μεθοδολογίας με την εξειδίκευσή της ως προς τη διερεύνηση και εκτίμηση της σεισμικής τρωτότητας των ΕΕΛ, η οποία δυνητικά μπορεί να προκαλέσει ρύπανση του εδάφους και των υδάτων (ΡΕΥ), ενώ εκτιμάται επίσης η χρονική διασπορά των ρύπων, εντός 24 ωρών μετασεισμικά. Η στόχευση εμπεριέχει επίσης την αναζήτηση της κατηγορίας των «ειδικών» οι οποίοι οφείλουν να συμμετέχουν στην έρευνα (για την καλύτερη αξιοπιστία της). Για τη διερεύνηση των καταλληλότερων «ειδικών» οι οποίοι οφείλουν να συμμετέχουν στη έρευνα θεωρήθηκε ένα αντίστοιχο ερωτηματολόγιο με την ονομασία Τυποποιημένη Έκθεση Σεισμικής Τρωτότητας (ΤΕΣΤ), πανομοιότυπο με το Ερωτηματολόγιο ΣΤ. Η ΤΕΣΤ είχε ως αποδέκτες το Δείγμα 2 των 118 Μελετητών-Ελεγκτών για τις Μελέτες Περιβαλλοντικών Επιπτώσεων (ΜΠΕ) των ΕΕΛ. Σε κάθε περίπτωση η στατιστική επεξεργασία περιελάμβανε την περιγραφική στατιστική με τη δημιουργία στατιστικών διαγραμμάτων, αθροιστικές συχνότητες, την εύρεση του Δείκτη Σεισμικής Τρωτότητας (ΔΣΤ) για το Δείγμα 1 και το αντίστοιχο του για την ΤΕΣΤ (ΤΕΣΤ/ΔΣΤ) της κάθε ΕΕΛ. Μετέπειτα δημιουργήθηκε η Κλίμακα Σεισμικής Τρωτότητας (ΚΣΤ) για το Δείγμα 1 και η αντίστοιχή του για την ΤΕΣΤ (ΤΕΣΤ/ΚΣΤ) για το Δείγμα 2 των ΕΕΛ. Πραγματοποιήθηκαν όλοι οι δυνατοί συνδυασμοί των αποτελεσμάτων του Ερωτηματολογίου ΣΤ και ΤΕΣΤ (δηλ. των επιμέρους ΔΣΤ και των ΚΣΤ τους). Εξετάσθηκε επίσης η περίπτωση δυνητικής μετασεισμικής ΡΕΥ με βάση τα πλασματικά Ερωτηματολόγια ΡΕΥ και ΤΕΣΤ-ΡΕΥ με την εύρεση των ΔΣΤ-ΡΕΥ, και ΤΕΣΤ/ΔΣΤ-ΡΕΥ καθώς και των αντίστοιχων ΚΣΤ-ΡΕΥ και ΤΕΣΤ/ΚΣΤ-ΡΕΥ. Ως προς την αξιοπιστία της μεθοδολογίας, ελέγχθηκε η συσχέτιση των αποτελεσμάτων Ερωτηματολογίου ΣΤ και ΤΕΣΤ (καθώς και αντίστοιχα για ΡΕΥ). Πραγματοποιήθηκαν συσχετίσεις των αποτελεσμάτων Ερωτηματολογίου ΣΤ με ένα επιπλέον χορηγηθέν Ερωτηματολόγιο Επανεκτίμησης από 40 αποδέκτες, με υπάρχουσες καμπύλες τρωτότητας κατά HAZUS-MH, Panico et al., και Syner-G (για Ελληνικές ΕΕΛ), μετά από ομαδοποιήσεις ΕΕΛ (σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά τους είτε με βάση την αναμενόμενη επιτάχυνση εδάφους του Χάρτη Σεισμικής Τρωτότητας (ΧΣΕ) της περιοχής των ΕΕΛ). Αποτελέσματα του Ερωτηματολογίου ΣΤ συγκρίθηκαν με υπάρχοντα δεδομένα σεισμών από τη βάση δεδομένων Shakemaps είτε από την Διεθνή βάση δεδομένων EM-DAT (εντάσεων, απωλειών σε θύματα). Πραγματοποιήθηκε τηλεφωνική έρευνα για τις σεισμικές επιπτώσεις σε 14 ΕΕΛ για την περίοδο 2011-2022. Υπήρξαν 10 ΕΕΛ με επιπτώσεις στις οποίες επαναχορηγήθηκε το Ερωτηματολόγιο ΣΤ (Ερωτηματολόγιο ΣΤ/ΤΕ). Αξιοποιήθηκαν τα αποτελέσματα από 2 ΕΕΛ και συγκρίθηκαν με τα αποτελέσματα του Ερωτηματολογίου ΣΤ.Η μεθοδολογία εφαρμόσθηκε για την ΕΕΛ Αιγίου και κρίθηκαν τα αποτελέσματα, για κάθε περίπτωση. Τα πιο σημαντικά αποτελέσματα αποτυπώθηκαν σε 28 Χάρτες μέσω των Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (GIS) και σχολιάστηκαν περαιτέρω.Η μεθοδολογία κρίνεται επαρκής και ικανοποιητική για την ταχεία εκτίμηση της σεισμικής τρωτότητας των ΕΕΛ (εφόσον οι αποδέκτες είναι οι Υπεύθυνοι-Λειτουργοί). Οι αβεβαιότητες σχολιάζονται. Προτείνονται δε τα απαραίτητα προληπτικά είτε κατασταλτικά μέτρα μετριασμού των επιπτώσεων ανάλογα με την ΚΣΤ στην οποία ανήκει η κάθε μεμονωμένη ΕΕΛ. Περαιτέρω δίνονται προτάσεις για μελλοντικές έρευνες, με βάση σενάρια υποθέσεων σεισμού, με βάση ευρύτερους εξωτερικούς παράγοντες (όπως η κλιματική αλλαγή), είτε με βάση την έκταση των σεισμικών επιπτώσεων. Η Πολιτεία δε, μπορεί έγκαιρα να οργανώσει μεθοδικά και με ρεαλιστική ιεράρχηση την ενίσχυση και αναβάθμιση της ανθεκτικότητας των ΕΕΛ σε επίπεδο πρόληψης, υλοποιώντας τα κατάλληλα μέτρα προστασίας, μετριάζοντας έτσι τον σεισμικό κίνδυνο στο επιστημονικό πεδίο των φυσικών καταστροφών.