ΗΠΙΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΑΚΤΩΝ: ΠΛΩΤΟΙ ΚΥΜΑΤΟΘΡΑΥΣΤΕΣ

Transcript

1 AΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΚΑΙ ΒΙΩΣΙΜΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΗΠΙΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΑΚΤΩΝ: ΠΛΩΤΟΙ ΚΥΜΑΤΟΘΡΑΥΣΤΕΣ ΡΑΠΑΝΤΑ ΕΥΓΕΝΙΑ ΔΙΠΛ. ΠΟΛΙΤΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ Θεσσαλονίκη, Οκτώβριος 2015

2 Περίληψη Οι Πλωτοί Κυματοθραύστες (ΠΚς) αποτελούν σήμερα μία τεχνολογικά σύγχρονη και περιβαλλοντικά φιλική εναλλακτική λύση έναντι των συμβατικών, σταθερά εδραζόμενων στον πυθμένα κυματοθραυστών. Στην παρούσα εργασία διερευνήθηκε η χρήση των ΠΚ στην προστασία των ακτών από διάβρωση. Η κατασκευή των ΠΚ συνιστά μια «ήπια» μέθοδο προστασίας των ακτών από διάβρωση, καθώς δεν έχει οπτική όχληση και κυρίως δεν εμποδίζει την κυκλοφορία των υδάτων, σε αντίθεση με τις «σκληρές» συμβατικές μεθόδους (έξαλοι κυματοθραύστες). Η διερεύνηση έγινε με τη βοήθεια της βιβλιογραφίας αλλά και την εφαρμογή μοντέλων για την προσομοίωση της μετάδοσης των κυματισμών, της κυματογενούς κυκλοφορίας, της στερεομεταφοράς και της εξέλιξης της μορφολογίας του πυθμένα. Η εκτίμηση των μεταβολών της μορφολογίας του πυθμένα γίνεται με τη χρήση υφισταμένων μαθηματικών μοντέλων. Τα μοντέλα εφαρμόστηκαν για την περίπτωση των συμβατικών (έξαλων) κυματοθραυστών και των ΠΚ, ώστε να πραγματοποιηθεί σύγκριση μεταξύ των δύο μεθόδων ως προς την εξέλιξη της μορφολογίας του πυθμένα και να διερευνηθεί η δυνατότητα εφαρμογής των ΠΚ στην προστασία των ακτών από διάβρωση. Το κυριότερο συμπέρασμα που μπορεί να εξαχθεί από τις εφαρμογές είναι ότι οι ΠΚ μπορούν να αντικαταστήσουν τους συμβατικούς κυματοθραύστες σε περιοχές με ήπια κυματικά φαινόμενα, καθώς δημιουργούν παρόμοια μεταβολή της βυθομετρίας με αυτούς, προστατεύοντας αποτελεσματικά την ακτή από τη διάβρωση και με αισθητά λιγότερες επιπτώσεις στο θαλάσσιο περιβάλλον. i

3 Abstract Floating Breakwaters (FBs) are nowadays considered as a technologically modern and environmental friendly alternative solution to conventional, bottom mounted breakwaters. In the present thesis the use of FB for coastal protection against erosion, is investigated. The construction of FB could be considered as a soft shore protection method, provided that it does not have optical harmful effect and mainly does not prevent significantly the circulation of waters, contrary to the hard conventional methods (emerged breakwaters). In addition, they have much less severe environmental impacts on habitats, species and ecosystems as the conventional methods. The investigation was achieved with the help of bibliography but also the application of models for the simulation of wave transmission, breaking wave induced currents, sediment transport and bed morphology evolution. The prediction of bed morphology changes is obtained with the use of existing mathematical models. These models were applied to the case of conventional (emerged) breakwaters as well as to the case of FB in order to compare the two methods regarding the bed morphology evolution and to investigate the applicability of the FB to the coastal protection from erosion. The most important conclusion that can be drawn from the applications is that the FB can replace conventional breakwaters in areas with mild wave conditions, as they create a similar change in the bathymetry with them, effectively protecting the coast from erosion and with significantly less impact in the marine environment. ii

4 Πρόλογος Η παράκτια ζώνη είναι ένα δυναμικό σύστημα, στο οποίο συνυπάρχουν και αλληλεπιδρούν πολλές και πολύπλοκες παράμετροι: φυσικές, κοινωνικές, οικονομικές κ.α.. Η ένταση στη χρήση των ακτών προκαλεί μια σειρά από προβλήματα, όπως είναι για παράδειγμα η παράκτια διάβρωση, η έλλειψη παραλιών κατάλληλων για χρήσεις αναψυχής,η υποβάθμιση της ποιότητας των ακτών κλπ. Τα έργα που κατασκευάζονται μέχρι πρότινος δεν λάμβαναν υπόψη την περιβαλλοντική διάσταση του προβλήματος. Όμως, το γεγονός αυτό σε συνδυασμό με την επίδραση από τις ανθρωπογενείς δραστηριότητες δημιούργησε πολλά προβλήματα στις ακτές με σημαντικότερο τη διάβρωση. Για το λόγο αυτό δημιουργήθηκε η ανάγκη για αναζήτηση ηπιότερων μορφών έργων προστασίας ακτών με γνώμονα τον περιορισμό των αρνητικών περιβαλλοντικών επιπτώσεων, καθώς και την αναβάθμιση της ποιότητας και της αισθητικής των ακτών. Η παρούσα εργασία μελετά τις «ήπιες» μεθόδους προστασίας ακτών από διάβρωση. Συγκεκριμένα διερευνάται η χρήση των Πλωτών Κυματοθραυστών. Ο στόχος της εργασίας είναι να διερευνηθεί η αποτελεσματικότητα των Πλωτών Κυματοθραυστών στην προστασία των ακτών από διάβρωση μέσω της σύγκρισης αυτών με τους συμβατικούς που χρησιμοποιούνται μέχρι σήμερα καθώς και να μελετηθεί η δυνατότητα εφαρμογής αυτών ως έργο προστασίας ακτών. Θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή κ. Καραμπά Θεοφάνη για τη συνεργασία και τη βοήθεια κατά την διάρκεια εκπόνησης της παρούσας διπλωματικής εργασίας, καθώς και τα μέλη της τριμελούς επιτροπής Αν. καθηγητή κ. Θεοδοσίου Νικόλαο και τον καθηγητή κ. Υφαντή Ιωάννη. iii

5 Περιεχόμενα Περίληψη... i Abstract... ii Πρόλογος... iii Περιεχόμενα... iv 1.Εισαγωγή Παράκτια ζώνη Παράκτια στερεομεταφορά Κυματογενή ρεύματα Κίνηση κόκκων Εγκάρσια στερεομεταφορά Μεταφορά φερτών παράλληλα στην ακτή Ισοζύγιο φερτών υλών και αίτια διάβρωσης των ακτών Παράκτια διάβρωση Το πρόβλημα της διάβρωσης Βιώσιμη ανάπτυξη στην παράκτια ζώνη Σκληρές και ήπιες μέθοδοι προστασίας ακτών από διάβρωση Εισαγωγή Σκληρές μέθοδοι Ήπιες μέθοδοι Βυθισμένοι πρόβολοι Βυθισμένοι κυματοθραύστες Τεχνητή ανάπλαση ακτής Σύστημα στράγγισης Πλωτοί κυματοθραύστες Μοντέλα μετάδοσης κυματισμών και κυματογενούς κυκλοφορίας Μοντέλο μετάδοσης κυματισμών WAVE-L Μοντέλο κυματογενούς κυκλοφορίας WICIR (Wave Induced CIRculation) Μοντέλο στερεομεταφοράς και εξέλιξης μορφολογίας πυθμένα SEDTR (SEDiment TRansport) iv

6 4.Εφαρμογές-Αποτελέσματα Σύνοψη συμπεράσματα Βιβλιογραφία Πίνακας σχημάτων Σχήμα 1.1: Επίδραση της ρηχότητας, θραύση κυματισμών και αναρρίχηση στην ακτή (Καραμπάς, 2002) Σχήμα 1.2: Τρισδιάστατο δευτερογενές κυματογενές ρεύμα εγκάρσια στην ακτή (Καραμπάς, 2002) Σχήμα 1.3: Σχηματοποιημένη αναπαράσταση παράκτιου κυματογενούς ρεύματος... 4 (Καραμπάς, 2002)... 4 Σχήμα 1.4.: Δευτερογενές ρεύμα εγκάρσια στην ακτή και μεταφορά φερτών (Καραμπάς, 2002)... 5 Σχήμα 1.5.: Η δράση κυματισμών και κυματογενών ρευμάτων εγκάρσια στην ακτή Σχήμα 1.6: Υποχώρηση της ακτογραμμής μετά την αύξηση της στάθμης θάλασσας Σχήμα 1.7: Παράκτια διάβρωση κατά τη διάρκεια μετεωρολογικής παλίρροιας Σχήμα 1.8: Η παράκτια εξέλιξη ρυθμίζεται από την ισορροπία μεταξύ προσφοράς και ζήτησης των ιζημάτων (Nichols,1989) Σχήμα 1.9: Εισροές και εκροές ιζημάτων στο σύστημα της ακτής Σχήμα 1.10: Η αστική διάχυση κατά μήκος της ακτής των Κάτω Χωρών Σχήμα 2.1: Διάταξη μώλου και εγκάρσια τομή του Σχήμα 2.2: Εγκάρσια τομή μώλου με εμφανή τη διαμόρφωσή του Σχήμα 2.3: Διάταξη βραχιόνων και εγκάρσια τομή τους Σχήμα 2.4: Τελική μορφή ακτογραμμής με ακτογραμμής μετά τη χρήση βραχιόνων με επικρατούντες ΝΑ ανέμους Σχήμα 2.5: Διάταξη κυματοθραύστη και εγκάρσια τομή ενός μη βυθισμένου Σχήμα 2.6: Ειδικές μορφές τεχνητών ογκόλιθων Σχήμα 2.7 Μεμονωμένος Βυθισμένος Κυματοθραύστης και σειρά Βυθισμένων Κυματοθραυστών Σχήμα 2.8 : Σχηματική αναπαράσταση λειτουργίας ΒΚ Σχήμα 2.9 : Δημιουργία προεξοχής (salient) ή tombolo. (Καραθανάση,2004) Σχήμα 2.10: Σφαιρικοί ύφαλοι Σχήμα 2.12: Εφαρμογές των Reef Balls στο Grand Dominicus Resort ( 31 Σχήμα 2.13: Εγκάρσιες και πλευρικές απώλειες άμμου v

7 Σχήμα 2.14: : Παραλία πριν και μετά την καταιγίδα Σχήμα 2.15: Τεχνητή ανάπλαση σε συνδυασμό με βυθισμένο κυματοθραύστη Σχήμα 2.17:Εφαρμογή της τεχνητής ανάπλασης Σχήμα 2.18: Κάθοδος του κυματισμού και κατεύθυνση στερεοπαροχής Σχήμα 2.19: Παράδειγμα πλωτού κυματοθραύστη (Fezzano, SP-Ιταλία INGEMAR slr ). 38 Σχήμα 2.20 Κυματοθραύστες τύπου pontoon Σχήμα 2.21: Κυματοθραύστες mat Σχήμα 2.22: Κυματοθραύστες συνδεδεμένων στοιχείων Σχήμα 2.23 Εφαρμογή πλωτών κυματοθραυστών (α),(β) στο Ν. Μαρμαρα, (γ) Πυργαδίκια (δ) στη λίμνη Πολυφύτου και (ε) στη Ν. Κρήνη Θεσσαλονίκης Σχήμα 4.1: Τελική εξέλιξη μορφολογίας πυθμένα συμβατικού κυματοθραύστη Σχήμα 4.2: Τελική εξέλιξη μορφολογίας πυθμένα πλωτού κυματοθραύστη Σχήμα 4.3: Τελική εξέλιξη μορφολογίας πυθμένα τριών συμβατικών κυματοθραυστών σε σειρά Σχήμα 4.4: Τελική εξέλιξη μορφολογίας πυθμένα τριών ΠΚ σε σειρά vi

8 Kεφάλαιο 1 Εισαγωγή 1.1 Παράκτια ζώνη Η παράκτια ζώνη μπορεί να θεωρηθεί ως η περιοχή αλληλεπίδρασης ανάμεσα στη γη, στον αέρα και στη θάλασσα. Αλλιώς ορίζεται ως: Η ζώνη της ξηράς και του προσκείμενου θαλάσσιου χώρου (νερό και βυθισμένη γη), στην οποία οι χερσαίες διαδικασίες και χρήσεις γης επηρεάζουν άμεσα τις ωκεάνιες διεργασίες και χρήσεις, και το αντίστροφο. Αποτελεί µια ζώνη µεταβλητού εύρους που συνορεύει (περιβάλλει /περικλείει) την ηπειρωτική, τη νησιωτική χώρα και τις λίµνες. Λόγω της δυναμικής φύσης των ακτών και την ποικιλομορφία των χαρακτηριστικών τους, αυτές επηρεάζονται με διαφορετικό τρόπο σε όλο τον κόσμο καθώς επηρεάζουν και τις χωρικές κλίμακες των συστημάτων που αλληλοεπιδρούν. Ενώ αναλύεται μια φυσική παράκτια ζώνη, η συμπερίληψη των οικοσυστημάτων, των πόρων και της ανθρώπινης δραστηριότητας εντός της ζώνης είναι πολύ σημαντική. Είναι οι ανθρώπινες δραστηριότητες που χρήζουν διαχείρισης. Οι δραστηριότητες αυτές είναι υπεύθυνες για τη διατάραξη των φυσικών παράκτιων συστημάτων. Είναι αξιοσημείωτο ότι περίπου το 40% του παγκόσμιου πληθυσμού ζει σε απόσταση 100 χιλιομέτρων από την ακτογραμμή, και το ποσοστό αυτό αυξάνεται, ενώ 200 εκατομμύρια Ευρωπαίων (από το σύνολο των 680 εκατομμυρίων) ζουν εντός 50 χιλιομέτρων από τη θάλασσα. Αυτό διότι, ιστορικά οι ακτές προσφέρονταν για εγκατάσταση για αμυντικούς λόγους και για λόγους τροφής. Τα λιμάνια δημιούργησαν βιομηχανική δραστηριότητα. Οι μονάδες παραγωγής ενέργειας εξυπηρετούνται κοντά στη θάλασσα λόγω της εύκολης πρόσβασης στο πετρέλαιο και την εύκολη απόρριψη των αποβλήτων. Το χερσαίο τμήμα της παράκτιας ζώνης παίζει σημαντικό ρόλο για εγκατάσταση και τουρισμό. Σε συνδυασμό με το γεγονός ότι τα παράκτια όρια ισοδυναμούν με μόλις το 8% της έκτασης της επιφάνεια της γης, αλλά παρέχουν το 25% της παγκόσμιας παραγωγικότητας έχει οδηγήσει σε υποβάθμιση του περιβάλλοντος. Αυτό με τη σειρά του οδήγησε στην ανεύρεση πολιτικών για την επιδιόρθωση ή τη μείωση της προκαλούμενης ζημιάς. 1

9 1.2 Παράκτια στερεομεταφορά Οι ακτές και ο πυθμένας των θαλάσσιων ζωνών κοντά στην ακτή, όπου γίνεται η μεταφορά των φερτών, μπορεί να είναι βραχώδεις ή αμμώδεις. Η πρώτη μορφή είναι κυρίως σταθερή και εξελίσσεται σε μεγάλες, χρονικά, κλίμακες. Η δεύτερη μορφή ακτών είναι αυτή που διαβρώνεται και αλλάζει μορφή σε σχετικά μικρά χρονικά διαστήματα. Οι αμμώδεις ακτές είναι δυνατόν να έχουν φτάσει σε δυναμική ισορροπία ή και να βρίσκονται σε μια συνεχή μορφοδυναμική μεταβολή, δηλαδή να διαβρώνονται ή να γίνεται εναπόθεση υλικού. Οι μεταβολές αυτές οφείλονται στην κίνηση των ιζημάτων που προκαλείται από τους κυματισμούς και τα ρεύματα (συνήθως τα κυματογενή). Όταν δεν υπάρχουν κυματισμοί ή ρεύματα ή όταν αυτά είναι ασθενή, δεν μπορεί να γίνει μεταφορά του κοκκώδους υλικού του πυθμένα Κυματογενή ρεύματα Όσο οι κυματισμοί πλησιάζουν στην ακτή, τόσο περισσότερο αλλάζουν τα χαρακτηριστικά της κίνησής τους. Το μήκος τους μειώνεται με αποτέλεσμα το ύψος τους 21 και η ταχύτητες των υλικών σημείων να αυξάνονται ώστε να διατηρηθεί η ισχύς σταθερή. Οι μεταβολές αυτές συνοδεύονται από έντονη ασυμμετρία με οξείς κορυφές και πλατιές κοιλιές που συνεπάγονται αυξημένες συνιστώσες της οριζόντιας ταχύτητας με κατεύθυνση προς τη στεριά, έναντι της μιας μικρότερης συνιστώσας προς τη θάλασσα. Όταν η ταχύτητα ενός υλικού σημείου της κορυφής του κύματος γίνει μεγαλύτερη από την ίδια την ταχύτητα μετάδοσης του κύματος (όταν το ύψος του γίνει περίπου το 0.8 του βάθους) τότε ο κυματισμός θραύεται και συνήθως συνεχίζει να ταξιδεύει θραυόμενος έως την αναρρίχησή του στην ακτή. Η θραύση συνοδεύεται από έντονη τυρβώδη ροή και απώλεια κινητικής ενέργειας αλλά και αύξηση της Μέσης Στάθμης Θάλασσας- ΜΣΘ (set-up) 2

10 Σχήμα 1.1: Επίδραση της ρηχότητας, θραύση κυματισμών και αναρρίχηση στην ακτή (Καραμπάς, 2002). Οι παραπάνω διεργασίες συνεπάγονται και τη δημιουργία των ακόλουθων δευτερογενών ρευμάτων κοντά στον πυθμένα (Σχήμα 1.2.): Ενός τρισδιάστατου ρεύματος επαναφοράς εγκάρσια στην ακτή (undertow) που δημιουργείται κάτω από την κοιλιά των θραυόμενων κυματισμών για να εξισορροπήσει τη ροή μάζας πάνω από την κοιλιά. Ενός ρεύματος που παράγεται λόγω της ροής μάζας κοντά στον πυθμένα εξαιτίας των μηχανισμών του κυματικού οριακού στρώματος. Το ρεύμα αυτό έχει την ίδια κατεύθυνση με την κατεύθυνση μετάδοσης του κυματισμού και δημιουργείται κάτω από τους μη θραυόμενους κυματισμούς. Σχήμα 1.2: Τρισδιάστατο δευτερογενές κυματογενές ρεύμα εγκάρσια στην ακτή (Καραμπάς, 2002). Όταν οι κυματισμοί προσπίπτουν υπό γωνία στην ακτή η απώλεια της ενέργειας τους, σε συνδυασμό με την επίδραση των φαινομένων της διάθλασης, οδηγεί στην δημιουργία ισχυρών παράκτιων κυματογενών ρευμάτων. Στα ρεύματα αυτά ένα υλικό σημείο εκτελεί 3

11 ταυτόχρονα και την παλινδρομική κυματική κίνηση αλλά και μετακινείται λόγω του ρεύματος (Σχήμα 1.3). Σχήμα 1.3: Σχηματοποιημένη αναπαράσταση παράκτιου κυματογενούς ρεύματος (Καραμπάς, 2002) Η αιτία της δημιουργίας αυτών των ρευμάτων είναι οι μεταβολές κατά την οριζόντια έκταση των μέσων ροών ποσότητας κίνησης που συνεπάγονται οι κυματισμοί Κίνηση κόκκων Οι κυματισμοί και τα κυματογενή ρεύματα εξασκούν ορθές και διατμητικές τάσεις στους κόκκους, στην επιφάνεια του πυθμένα και σε συνδυασμό με τις αντιδράσεις στήριξης σε άλλους κόκκους, τις υδροδυναμικές υποπιέσεις λόγω διήθησης και τις δυνάμεις πρόσκρουσης άλλων κόκκων, είναι δυνατό να δημιουργήσουν τις κατάλληλες συνθήκες αποκόλλησης των επιφανειακών κόκκων. Μετά την αποσταθεροποίηση των κόκκων η κίνησή τους γίνεται με δύο τρόπους: ή με κύλιση στον πυθμένα και διαδοχικά άλματα ύψους έως 10D, που συνεπάγονται περιοδική επαφή με τον πυθμένα (φορτίο πυθμένα) ή χωρίς επαφή με τον πυθμένα, σε αιώρηση μέσα στην υδάτινη στήλη (φορτίο σε αιώρηση). Η μεταφορά των ιζημάτων στον παράκτιο χώρο οφείλεται στη ταυτόχρονη δράση του κυματισμού και του ρεύματος. Οι βασικοί μηχανισμοί μεταφοράς τους είναι: 1. Μεταφορά λόγω των παράκτιων κυματογενών ρευμάτων στη ζώνη θραύσης: η κυματική κίνηση των θραυόμενων και μη θραυόμενων κυματισμών, αυξάνοντας την διατμητική τάση πυθμένα, θέτει σε κίνηση τους κόκκους των ιζημάτων. Αφού πραγματοποιηθεί η αποκόλληση των κόκκων, αυτοί μεταφέρονται προς την κατεύθυνση του ρεύματος. 2. Μεταφορά λόγω κυματικής ασυμμετρίας: λόγω της μη γραμμικής φύσης των κυματισμών η κίνηση των φερτών είναι και αυτή ασύμμετρη. Έτσι, κάτω από την κορυφή του 4

12 κύματος, όπου η ταχύτητα είναι μεγάλη και έχει κατεύθυνση προς την ακτή, πραγματοποιείται μεγαλύτερη μεταφορά φερτών, με κατεύθυνση προς την ακτή, ενώ κάτω από την κοιλιά, όπου η ταχύτητα είναι μικρότερη και έχει φορά προς τα ανοιχτά, πραγματοποιείται μικρότερη στερεομεταφορά με κατεύθυνση προς τα ανοιχτά. Σαν συνολικό αποτέλεσμα έχουμε τη μεταφορά φερτών στη διεύθυνση μετάδοσης των κυματισμών. 3. Μεταφορά λόγω δευτερογενών κυματογενών ρευμάτων (Σχήμα 1.4): του τρισδιάστατου ρεύματος επαναφοράς (undertow) με κατεύθυνση προς τα ανοιχτά του ρεύματος κοντά στον πυθμένα, στο οριακό στρώμα του κυματισμού με κατεύθυνση την κατεύθυνση μετάδοσης του κυματισμού. Ο μηχανισμός μεταφοράς είναι ίδιος με την περίπτωση 1 εφόσον τα ρεύματα αυτά συνυπάρχουν με το πρωτογενές κυματογενές ρεύμα. Σχήμα 1.4.: Δευτερογενές ρεύμα εγκάρσια στην ακτή και μεταφορά φερτών (Καραμπάς, 2002) Στην περίπτωση πολύ λεπτόκοκκων εδαφών (π.χ. των αργιλικών) μοριακές δυνάμεις συνοχής (συνεκτικά εδάφη), κάνουν πιο δύσκολη την έναρξη της διάβρωσης του πυθμένα, ιδίως σε πυθμένες όπου έχει προχωρήσει διαδικασία στερεοποίησης ( consolidation) Εγκάρσια στερεομεταφορά Η διαμόρφωση της τοπογραφίας του πυθμένα αλλά και της ζώνης αναρρίχησης επηρεάζεται σημαντικά από τις εγκάρσιες διαδικασίες μεταφοράς φερτών υλών. Η εγκάρσια μεταφορά βασίζεται στην αποσταθεροποιητική δράση των κυματισμών και τα δευτερογενή ρεύματα εγκάρσια στην ακτή (Σχήμα 1.4). Αποτέλεσμα της δράσης αυτής είναι η διαμόρφωση δύο διακεκριμένων προφίλ, του χειμερινού και του θερινού (Σχήμα 1.5). 5

13 Σχήμα 1.5.: Η δράση κυματισμών και κυματογενών ρευμάτων εγκάρσια στην ακτή. (Κουτίτας, 1998) Το χειμερινό προφίλ: Οι κυματισμοί μεγάλης καμπυλότητας, διαβρώνουν μέρος του υλικού του «μετώπου» της ακτής και του τμήματος του βυθού μεταξύ γραμμής θραύσης και ακτογραμμής και το μεταφέρουν στην περιοχή θραύσης, δημιουργώντας έναν επιμήκη ύφαλο (longshore bar) παράλληλο προς την ακτή με συνέπεια τη θραύση των κυματισμών, πάνω από αυτόν, και τη μείωση του ύψους των διαδιδόμενων, πίσω από αυτόν, κυμάτων, αποτελώντας μια προφυλακή της ακτής. Το θερινό προφίλ: Οι θερινοί κυματισμοί μικρής καμπυλότητας επαναφέρουν υλικό στο έξαλο μέτωπο της ακτής, μειώνοντας το ύψος του υφάλου και εμπλουτίζοντας σε κοκκώδες υλικό την ακτή. Η σύγχρονη πειραματική και υπολογιστική τεχνική έχει κατορθώσει να προσομοιώσει και να περιγράψει ποσοτικά τις διεργασίες διάβρωσης και εναπόθεσης. Απλουστευμένη προσέγγιση αποτελούν οι σχέσεις Dean και Sunamura-Ηοrikawa για την αποτίμηση των 6

14 συνθηκών διάβρωσης και εναπόθεσης, συναρτήσει των κυματικών συνθηκών και της κοκκομετρίας. Στη σχέση Dean, ανάλογα με την τιμή της παραμέτρου F o: (1.1) διακρίνονται δύο περιπτώσεις: Για F 0> 1 λαμβάνει χώρα διάβρωση και για F 0< 1 λαμβάνει χώρα εναπόθεση υλικού (Η ο είναι το ύψος του κύματος στα βαθειά νερά, Τ η περίοδος των κυματισμών και w f η ταχύτητα καθίζησης των κόκκων). Στη σχέση Sunamura Horikawa, ανάλογα με την τιμή της παραμέτρου Go: (1.2) διακρίνονται δύο περιπτώσεις: Για G 0 > 18 συμβαίνει διάβρωση, ενώ για G 0 < 9 συμβαίνει εναπόθεση υλικού στην ακτή (tanθ είναι η κλίση της ακτής, L o το μήκος του κύματος στα βαθειά νερά και D 50 η μέση διάμετρος των κόκκων) Μεταφορά φερτών παράλληλα στην ακτή Η παράκτια συνιστώσα της μεταφοράς φερτών υλών εκτείνεται σε όλο το πλάτος της ζώνης επίδρασης των κυματισμών στο υλικό της ακτής, αλλά μεγιστοποιείται στη ζώνη θραύσης, όπου και η τύρβη του νερού αποκτά τους μέγιστους ρυθμούς γένεσης και απόσβεσης, συνεπαγόμενη πέρα από το φορτίο πυθμένα και μεγάλο φορτίο σε αιώρηση, αλλά και όπου διαμορφώνεται το παράκτιο ρεύμα λόγω λοξής θραύσης. Συστηματικές έρευνες στις ακτές των Η.Π.Α. και της Δυτικής και Βόρειας Ευρώπης (Β. Θάλασσα και Βαλτική), έχουν οριστικοποιήσει τη συσχέτιση ανάμεσα στην κατά μήκος της ακτής ροή της κυματικής ενέργειας (μέρος της οποίας μορφοποιείται σε παράκτιο ρεύμα και μέρος της αναλίσκεται σε τυρβώδη κινητική ενέργεια), και της παροχής σε βυθισμένο βάρος φερτών υλών κατά μήκος της ακτής. Για την εκτίμηση της στερεοπαροχής των φερτών υλών κατά μήκος των ακτών λόγω της ύπαρξης των κυματογενών ρευμάτων στη ζώνη θραύσης των κυματισμών χρησιμοποιείται πολύ συχνά η ημιεμπειρική σχέση που προτείνεται από το Shore Protection Manual (US Army Corps of Engineers, CERC, Κουτίτας, 1994): (1.3) όπου Q t η συνολική στερεοπαροχή στη ζώνη θραύσης, H sb το σημαντικό ύψος θραύσης, c gb η ταχύτητα ομάδας και φ b η γωνία πρόσπτωσης στο σημείο θραύσης. 7

15 Όταν η συχνότητα εμφάνισης του σημαντικού ύψους κύματος H sb σε μια ακτή είναι ίση με f (%), απαιτείται ο πολλαπλασιασμός του δεξιού μέλους της παραπάνω σχέσης (1.3) με f/100. Κατά αυτόν τον τρόπο, είναι δυνατό σε μια ακτή στην οποία κατά τη διάρκεια του έτους επικρατούν διάφορες κυματικές συνθήκες ( H sb, φ b), να υπολογιστούν οι αντίστοιχοι όγκοι φερτών υλικών που κινούνται κατά μήκος της ακτής και οι κατευθύνσεις τους ανάλογα με το πρόσημο της γωνίας θραύσης φ b. 1.3 Ισοζύγιο φερτών υλών και αίτια διάβρωσης των ακτών Η παράκτια και η εγκάρσια μεταφορά φερτών υλών εκτείνεται σε ένα σχετικά μικρό πλάτος της παράκτιας θαλάσσιας ζώνης και έχει σημαντικές μορφολογικές επιπτώσεις στις ακτές. Σε ένα τμήμα μιας ακτής είναι δυνατό να περιέχονται πολλές πηγές (sources) και πολλές παγίδες (sinks) φερτών υλών. Οι κυριότερες φυσικές πηγές και παγίδες φερτών υλών είναι οι εξής (Κουτίτας, 1994): Πηγές: Τα υδατορρεύματα αποτελούν την κυριότερη πηγή φερτών, καθώς παγκοσμίως μεταφέρουν περί τα 14 δισεκατομμύρια κυβικά μέτρα φερτών υλών ετησίως. Το υλικό αυτό προέρχεται από τη διάβρωση χερσαίων εκτάσεων της γης, και ένα μεγάλο μέρος το είναι αργιλώδες και ιλυώδες, ενώ ένα ποσοστό < 5% είναι άμμος. Τα πλέον χονδρόκοκκα παραμένουν στις ακτές, ενώ τα υπόλοιπα καθιζάνουν σε μεγαλύτερα βάθη. Η διάβρωση γαιωδών όγκων σε ακτές αποτελεί μια δεύτερη πηγή φερτών υλών. Η μεταφορά κόκκων από τους ανέμους Παγίδες φερτών υλών: Τα παλιρροιακά στόμια, στα οποία οι προς τα έσω στερεοπαροχές κατά την πλημμυρίδα είναι μεγαλύτερες από αυτές προς τα έξω κατά την άμπωτη. Τα υποβρύχια φαράγγια, στα οποία παγιδεύονται, οδηγούμενα προς τα ανοιχτά μεγάλες ποσότητες φερτών υλών. Η ανεμογενής ή κυματογενής μεταφορά προς την εσωτερική ζώνη των αμμοθινών. Ανάλογα με την ποσότητα που παγιδεύεται ή εισέρχεται σε ένα τμήμα μιας αμμώδους ακτής, τότε αυτή είτε βρίσκεται σε μια δυναμική ισορροπία με μικρές μορφολογικές μεταβολές, είτε βρίσκεται σε μια συνεχή μορφοδυναμική μεταβολή, δηλαδή διαβρώνεται ή γίνεται εναπόθεση υλικού. Ένα σοβαρό τεχνικό πρόβλημα είναι η εκτίμηση του ετησίου ισοζυγίου φερτών υλών σε ένα τμήμα της ακτής. Η επέμβαση του ανθρώπου με την κατασκευή τεχνικών έργων (παράκτια, φράγματα κλπ) διαταράσσει την παραπάνω ισορροπία., με αποτέλεσμα η ακτή να κινδυνεύει από τις αναδράσεις της φύσης πάνω σε αυτά. 8

16 Τα παράκτια τεχνικά έργα (λιμένες, πρόβολοι, κυματοθραύστες) αποτελούν σημαντικές παγίδες φερτών υλών γιατί διακόπτουν έμμεσα ή άμεσα τη κυρίαρχη στερεομεταφορά, με αποτέλεσμα την κατακράτηση μέρους των κατά μήκος της ακτής κινούμενων ιζημάτων. Αποτέλεσμα της διατάραξης της ισορροπίας είναι σημαντικές διαβρώσεις (κατάντη του έργου) και προσχώσεις (ανάντη του έργου). Ιδιαίτερα χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η Παραλία Κατερίνης όπου η κατασκευή του λιμενικού έργου οδήγησε σε διαβρώσεις και προσχώσεις της τάξεως μερικών δεκάδων μέτρων (Κώστογλου Ε., 2003). Οι αμμοληψίες και τα έργα αντιδιαβρωτικής προστασίας στην ενδοχώρα, καθώς και τα έργα ορεινής υδρονομίας, οι φυτοκαλύψεις, τα αντιπλημμυρικά έργα και κατά κύριο λόγο τα φράγματα (ενεργειακά και αρδευτικά) στερούν τις ακτές από μεγάλες παροχές φερτών υλών, που άλλοτε τις εμπλούτιζαν, με αποτέλεσμα να εμφανίζονται προβλήματα συστηματικών διαβρώσεων σε πολλές ακτές της χώρας μας. Το φαινόμενο εντείνεται και από την οικιστική δόμηση και την κατασκευή δρόμων που εμποδίζουν τον εμπλουτισμό των ακτών. Η ανύψωση της μέσης στάθμης της θάλασσας που οφείλεται στη θερμική διαστολή των ωκεανών και στο λιώσιμο των πάγων εξαιτίας της αύξησης της μέσης θερμοκρασίας του πλανήτη (φαινόμενο του θερμοκηπίου), αποτελεί μια νέα απειλή για τις ακτές. Σχήμα 1.6: Υποχώρηση της ακτογραμμής μετά την αύξηση της στάθμης θάλασσας. (Καραμπάς) Η διάβρωση της ακτής οφείλεται στο γεγονός ότι οι κυματισμοί σε σχέση με το υλικό του πυθμένα διαμορφώνουν ένα συγκεκριμένο προφίλ ισορροπίας: d = Ay r (1.4) 9

17 όπου y είναι η απόσταση από την ακτή προς τα ανοικτά και Α είναι ένας συντελεστής καμπυλότητας της ακτής που εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά των κυματισμών που προσπίπτουν και τη διάμετρο των κόκκων (σύμφωνα με το CUR 1987, Α=0.70(H o/l o) w f ). Ο εκθέτης r θεωρητικά ισούται με το 2/3, τιμή που επιβεβαιώνεται και από μετρήσεις πεδίου. Μετά την ανύψωση της στάθμης της θάλασσας το προφίλ παραμένει περίπου το ίδιο αλλά «μετατοπισμένο» προς τη στεριά. Η υποχώρηση της ακτογραμμής μπορεί να υπολογιστεί με βάση τη θεώρηση του προφίλ ισορροπίας εξισώνοντας τον όγκο της άμμου που διαβρώνεται από την περιοχή κοντά στην ζώνη αναρρίχησης με αυτόν που μεταφέρεται και εναποτίθεται στα ανοιχτά (Σχήμα 1.7). Το μήκος διάβρωσης dy δίνεται από (Bruun, 1962): (1.5) όπου ds είναι η ανύψωση της στάθμης θάλασσας, B είναι το ύψος του μετώπου της ακτής και h c και W a είναι το βάθος και η απόσταση από την ακτή, αντίστοιχα, ενός σημείου βαθύτερα του οποίου δεν πραγματοποιούνται σημαντικές μεταβολές του προφίλ. Μια πιο λεπτομερής προσέγγιση αναπτύχθηκε από τον Μπασδάνη (2003). Η διάβρωση από την μελλοντική ανύψωση της στάθμης της θάλασσας εκτιμάται ότι μπορεί να είναι ακόμη και της τάξης μερικών δεκάδων μέτρων (Καραμπάς κ. α.., 2002). Το φαινόμενο είναι πιο έντονο στις περιοχές όπου γίνεται υπεράντληση υπόγειων υδάτων που προκαλεί καθιζήσεις στην επιφάνεια του εδάφους. 1.4 Παράκτια διάβρωση Η διάβρωση των ακτών είναι ένα σύνθετο φυσικό φαινόμενο που συναρτάται άμεσα με την φυσική ισορροπία των παράκτιων ιζημάτων. Ως παράκτια διάβρωση έχει προσδιοριστεί η μακροχρόνια απώλεια του υλικού της ακτής (όγκος) σε σχέση με κάποια σταθερή ευθεία αναφοράς (baseline) και έναν αρχικό όγκο αναφοράς ο οποίος υπήρχε σε οριζόντια διεύθυνση πέρα από αυτή την ευθεία και προς τη θάλασσα και σε κατακόρυφη διεύθυνση από κάποια αυθαίρετη αφετηρία και πάνω. Ως διάβρωση ορίζεται η διαδικασία απομάκρυνσης υλικού από παράκτια προφίλ, οφειλόμενη σε ανισορροπίες ανάμεσα στον εφοδιασμό και την εξαγωγή υλικού από ένα συγκεκριμένο τμήμα. Η διάβρωση των ακτών λαμβάνει χώρα κυρίως κατά τη διάρκεια ισχυρών ανέμων, μεγάλων κυμάτων και υψηλών παλιρροιών και σε συνθήκες μετεωρολογικής παλίρροιας (storm surge), και καταλήγει σε υποχώρηση ακτής και απώλεια γης. Ο ρυθμός διάβρωσης εκφράζεται ορθώς σε 10

18 όγκο/μήκος/χρόνο, π.χ. σε m 3 /m/έτος, αλλά το ποσοστό διάβρωσης χρησιμοποιείται συχνά ως συνώνυμο της υποχώρησης της ακτογραμμής, και έτσι εκφράζεται σε m/έτος. Σχήμα 1.7: Παράκτια διάβρωση κατά τη διάρκεια μετεωρολογικής παλίρροιας ( Αυτή είναι μια απλούστευση των διαδικασιών και τα οποία διαφέρουν ανάλογα με το είδος των ακτών όπως για παράδειγμα αν πρόκειται για βράχο, χοντρό χαλίκι ή αμμώδεις παραλίες κλπ. Αυτό που είναι σαφές από την περιγραφή αυτή είναι ότι η διάβρωση των ακτών είναι μια δυναμική διαδικασία. Συχνά καθοδηγείται από ένα συγκεκριμένο γεγονός (μια καταιγίδα) και οι συνέπειές της μπορεί να αναστραφούν τουλάχιστον μερικώς κατά τις ώρες ηρεμίας. H παράκτια συμπεριφορά έχει επίσης χωρική διάσταση: τα παράκτια ρεύματα μπορεί να αφαιρέσουν μόνιμα τα ιζήματα από την ακτή, αλλά επίσης μπορεί να φέρουν νέα ιζήματα από αλλού. Η διάβρωση των ακτών είναι αποτέλεσμα φυσικών διεργασιών όπως είναι οι διακυμάνσεις της στάθμης της θάλασσας, οι άνεμοι, οι τεκτονικές διεργασίες, η άνοδος στάθμης της θάλασσας και -όλα τα προηγούμενα- σε σχέση με τη σύσταση και τις κλίσεις του εδάφους και την φυτική κάλυψη ή προκαλείται από: α) κατασκευές στην ακτή ή/και στη θάλασσα, β) κατασκευές αντιμετώπισης φαινομένων διάβρωσης, γ) ναυσιπλοΐα, δ) τη μείωση των φερτών υλικών που καταλήγουν στην ακτή (που συνήθως οφείλεται σε ανθρώπινες παρεμβάσεις), ε) συνδυασμό των παραπάνω. Η κατανόηση των παράκτιων διεργασιών διάβρωσης απαιτεί μια εικόνα για όλους τους παράγοντες που αλληλεπιδρούν κατά μήκος της ακτογραμμής και στη συνειδητοποίηση των 11

19 διαφορετικών χρονικών κλιμάκων. Στις γεωλογικές χρονικές κλίμακες, η παράκτια εξέλιξη σε ιζηματογενή περιβάλλοντα εξαρτάται από τη ζήτηση και την προσφορά των ιζημάτων. Η ζήτηση των ιζημάτων της ακτής καθορίζεται από το ποσοστό της σχετικής ανόδου της στάθμης της θάλασσας και από τη μορφολογία της παράκτιας πεδιάδας. Η παροχή των ιζημάτων καθορίζεται από τη διαθεσιμότητα των ιζημάτων και από την μεταφορική δυναμικότητα-ικανότητα του αέρα και του νερού. Η ισορροπία μεταξύ της ζήτησης και της προσφοράς των ιζημάτων οδηγεί στην εξέλιξη της ακτής (σχήμα 1.7): όταν η προσφορά είναι μεγαλύτερη από τη ζήτηση, η ακτή θα αυξηθεί προς την θάλασσα, όταν η ζήτηση είναι ίση με την προσφορά, η ακτή θα παραμείνει στη θέση της, και όταν η προσφορά είναι ανεπαρκής, η ακτή θα τείνει να υποχωρήσει. Σχήμα 1.8: Η παράκτια εξέλιξη ρυθμίζεται από την ισορροπία μεταξύ προσφοράς και ζήτησης των ιζημάτων (Nichols,1989) Mε την άνοδο της στάθμης της θάλασσας, η ακτογραμμή θα μπορούσε να είναι σταθερή ή ακόμα και να αυξηθεί προς τη θάλασσα, εάν υπάρχει επαρκής παροχή ιζημάτων. Επίσης ακόμη και χωρίς διάβρωση των ακτών η ακτογραμμή μπορεί να υποχωρήσει, όταν η στάθμη της θάλασσας ανεβαίνει και προκαλεί βύθιση της ακτής. Κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας μόνο ένα μέρος των μακροπρόθεσμων διαδικασιών είναι ορατό. Σε μια αμμώδη παραλία, για παράδειγμα, ένας συνδυασμός της υψηλής παλίρροιας και των ισχυρών ανέμων αυξάνει το επίπεδο της θάλασσας, εκθέτοντας την παραλία και τους αμμόλοφους σε προσβολή από τα εισερχόμενα κύματα, που συνήθως οδηγεί σε διάβρωση. Η άμμος σύρεται κάτω από την κατωφέρεια προκαλώντας διάβρωση της παραλίας και των αμμοθινών και υποσκάπτοντας 12

20 τους αμμόλοφους. Μέρος του μετώπου του αμμόλοφου μπορεί να καταρρεύσει και το καταρρέον ίζημα να γλιστρήσει προς τα κάτω, όπου μπορεί να διαβρωθεί περαιτέρω πάλι με διαδικασίες που προκαλούνται από τους κυματισμούς. Το ίζημα στη συνέχεια μεταφέρεται προς τη θάλασσα, όπου εγκαθίσταται σε βαθύτερα νερά. Κατά τη διάρκεια μιας μεταγενέστερης πιο ήρεμης περιόδου μερικά από τα ιζήματα μπορεί να επιστρέψουν στην ακτή κατευθυνόμενα προς αυτήν από κυματογενή και ανεμογενή στερεομεταφορά, που συνήθως οδηγεί σε επαύξηση της παραλιακής ζώνης. Ωστόσο, τα παράκτια ρεύματα μπορούν επίσης να επακινήσουν το ίζημα, που οδηγεί σε περαιτέρω μετακίνηση ιζημάτων μακριά από την αρχική θέση. Σχήμα 1.9: Εισροές και εκροές ιζημάτων στο σύστημα της ακτής ( Το πρόβλημα της διάβρωσης Η διάβρωση, όπως έχει σημειωθεί είναι μία φυσική διαδικασία, η οποία όμως έχει ενταθεί εξαιτίας των κατασκευών και της αστικοποίησης των ακτών. Η διάβρωση των ακτών γίνεται κρίσιμη όταν δεν υπάρχει δυνατότητα να δεχθεί μεταβολές: μια ιδιαίτερα αστικοποιημένη 13

21 παράκτια ζώνη θα αντιμετωπίσει σίγουρα δυσκολίες με τη διάβρωση των ακτών. Το ερώτημα είναι τα περιθώρια που απαιτούνται και ποιες ανθρώπινες χρήσεις είναι συμβατές με μια δυναμική ακτογραμμή. Χωρίς να υπάρχει γνώση για τη φυσική συμπεριφορά των ακτών, δεν διατυπώνεται μια βιώσιμη, οικονομικά ορθολογική και κοινωνικά αποδεκτή στρατηγική παράκτιας διαχείρισης. Με την συνεχώς αυξανόμενη αστικοποίηση των ευρωπαϊκών ακτών, η ζήτηση για την προστασία των ακτών και τον έλεγχο της διάβρωσης αυξάνει επίσης. Αυτό οδηγεί σε ένα αυτοτροφοδοτούμενο φαύλο κύκλο καθώς οι επιπρόσθετες οικονομικές δραστηριότητες απαιτούν περαιτέρω και συχνά πιο ισχυρή προστασία. Τα βραχυπρόθεσμα οικονομικά οφέλη κινητοποιούν συχνά αυτή την ανάπτυξη, χωρίς να λαμβάνονται υπόψη οι κίνδυνοι διάβρωσης. Οι εξελίξεις αυτές οδηγούν σε μείωση της παράκτιας ανθεκτικότητας αφού η ακτογραμμή δεν έχει χώρο να κινηθεί. Είναι αμφίβολο αν αυτό το είδος της ανάπτυξης είναι βιώσιμο μακροπρόθεσμα, ιδίως ενόψει της κλιματικής αλλαγής. Σχήμα 1.10: Η αστική διάχυση κατά μήκος της ακτής των Κάτω Χωρών. Οι αστικές περιοχές εμφανίζονται με κόκκινο χρώμα.( Βιώσιμη ανάπτυξη στην παράκτια ζώνη Η βιώσιμη ανάπτυξη, έχει εμφανιστεί, τα τελευταία κυρίως χρόνια, ως ο κυρίαρχος στόχος, σε παγκόσμιο επίπεδο και για την παράκτια διαχείριση προγραμμάτων ανάπτυξης και προστασίας. Κύριος στόχος της είναι η ορθολογική διαχείριση των παράκτιων πόρων, έτσι ώστε να διασφαλιστεί η ποιότητα ζωής του υπάρχοντος πληθυσμού, χωρίς να θέτει σε κίνδυνο την ικανότητα των μελλοντικών γενεών να ικανοποιήσουν τις δικές τους ανάγκες. Η επίτευξη του στόχου αυτού δεν είναι εύκολη υπόθεση. Οι ιδιαιτερότητες των παράκτιων 14

22 οικοσυστημάτων και οι διαφορετικές, διαχρονικά, πληθυσμιακές ανάγκες και απαιτήσεις διαμορφώνουν ένα «κινούμενο τοπίο», με δυναμική και κλίμακα συγκρούσεων απροσδιόριστης έκτασης. Η εισαγωγή ενός νέου όρου, αυτού της φέρουσας ικανότητας, εντάσσεται στη διαδικασία προσδιορισμού της βιώσιμης ανάπτυξης, στην καταγραφή, ανάλυση και χρήση πληροφοριών που αναφέρονται στις διαχρονικές δυναμικές σχέσεις που αναπτύσσονται ανάμεσα στις ανθρώπινες δράσεις και τα παράκτια οικοσυστήματα προκειμένου, στη συνέχεια, να προσδιορίσει τα όρια ανάπτυξης αυτών των σχέσεων. Κατά συνέπεια, η προτεραιότητα δίνεται στους πόρους και όχι στους χρήστες, στη δυνατότητα προσφοράς και όχι στις απαιτήσεις της υπερκατανάλωσης. Για την αντιμετώπιση των προβλημάτων στις παράκτιες περιοχές απαιτείται αλλαγή ολόκληρης της φιλοσοφίας δράσης, προκειμένου να υπάρξει ουσιαστικό αποτέλεσμα. Απαιτείται μια ολοκληρωμένη προσέγγιση, με τη συνεργασία όλων των εμπλεκόμενων φορέων, την ενημέρωση και συμμετοχή του κοινού στη διαδικασία λήψης αποφάσεων, συνεκτιμώντας πάντα τις ιδιαίτερες απαιτήσεις της παράκτιας περιοχής, με τα ιδιόμορφα γεωμορφολογικά, υδρολογικά, οικονομικά και κοινωνικά φαινόμενα. Η διεθνής επιστημονική κοινότητα κινείται στην κατεύθυνση της Ολοκληρωμένης Διαχείρισης των Παράκτιων Ζωνών (ΟΔΠΖ), καταβάλλοντας προσπάθειες για θεσμοθέτηση των προϋποθέσεων και των διαδικασιών, με σκοπό την υλοποίηση μιας τέτοιας διαχείρισης. «Ως OΔΠZ νοείται η διαδικασία η οποία διαμορφώνεται από τη συμμετοχή της διοίκησης και των κοινοτήτων, της επιστήμης και της διαχείρισης, των επιμέρους και του δημοσίου συμφέροντος για την υλοποίηση ενός ολοκληρωμένου σχεδίου για την προστασία και ανάπτυξη των παράκτιων οικοσυστημάτων και πόρων». Oι στόχοι, οι οποίοι επιδιώκονται να επιτευχθούν μέσα από την OΔΠZ και αποσκοπούν στη βιώσιμη ανάπτυξη των παράκτιων περιοχών, είναι: H διατήρηση υψηλής ποιότητας παράκτιου περιβάλλοντος, Προστασία της βιοποικιλότητας, Διατήρηση καίριας σημασίας ενδιαιτημάτων, Bελτίωση καίριας σημασίας οικολογικών διαδικασιών, Bιώσιμη χρήση των φυσικών πόρων, Έλεγχος των ρύπων, Προσδιορισμός των περιοχών: α) στις οποίες μπορούν να αναπτυχθούν ανθρώπινες δραστηριότητες, β) που πρέπει να διατηρηθούν, Kαθορισμός προδιαγραφών για τον καθορισμό των χρήσεων γης στις παράκτιες περιοχές και διευθέτηση συγκρουόμενων χρήσεων γης, Kαθορισμός προδιαγραφών για την ανάπτυξη δραστηριοτήτων στις παράκτιες περιοχές, 15

23 Προστασία από φυσικές καταστροφές, Aποκατάσταση υποβαθμισμένου περιβάλλοντος, Aνάπτυξη διαδικασιών ενημέρωσης και συμμετοχής των άμεσα εμπλεκομένων κοινοτήτων. 16

24 Κεφάλαιο 2 Σκληρές και ήπιες μέθοδοι προστασίας ακτών από διάβρωση 2.1 Εισαγωγή Η μέχρι πρότινος πρακτική, η οποία χρησιμοποιούταν για την ανάπτυξη τεχνικών κατασκευών στις παράκτιες περιοχές, είτε για τη δημιουργία υποδομών (μαρίνες, λιμάνια κλπ), είτε για την προστασία του παράκτιου πληθυσμού από τις πλημμύρες και τη διάβρωση γινόταν χωρίς ευαισθησία και πρόνοια για τις αρνητικές επιπτώσεις των έργων στις γειτονικές περιοχές. Η κατασκευή αυτών των έργων έγινε με βάση την αρχή της λεγόμενης σκληρής προσέγγισης, δηλ. αδιαφορώντας για τις επιπτώσεις στο θαλάσσιο περιβάλλον (δημιουργία κλειστών λεκανών, αισθητική όχληση). Εκτός αυτού, σε πολλές περιπτώσεις τα έργα που κατασκευάζονταν, όπως είναι οι κυματοθραύστες, για την αποκατάσταση του προβλήματος είχαν αντίθετα αποτελέσματα από τα επιθυμητά. Γενικότερα, η απουσία ενός μακροχρόνιου σχεδιασμού και μιας ικανοποιητικής νομοθεσίας καθώς και η άγνοια σε μεγάλο βαθμό, των παράκτιων φυσικών διεργασιών οδήγησαν στην παρούσα δυσμενή κατάσταση. Λιμενικά Έργα Τα λιμενικά έργα και τα έργα προστασίας ακτών χωρίζονται σε δυο βασικές κατηγορίες: Εγκάρσια έργα είναι οι βραχίονες, οι μώλοι, οι γέφυρες και οι υποβρύχιοι αγωγοί Παράλληλα έργα είναι οι κυματοθραύστες και οι τοίχοι (κρηπιδότοιχοι και τοίχοι προστασίας ακτών). Τα υλικά κατασκευής ποικίλλουν ανάλογα με τις ανάγκες του έργου, τις υπάρχουσες οικονομικές συνθήκες καθώς και τη γεωγραφία του έργου (δηλαδή αν υπάρχουν σε κοντινές αποστάσεις λατομεία για προμήθεια υλικών ή χώροι απόθεσης άχρηστων υλικών). Τα συνηθισμένα υλικά είναι φυσικοί λίθοι κατάλληλης κοκκομετρίας και βάρους, άοπλο ή οπλισμένο σκυρόδεμα (του οποίου όμως η έγχυση χρειάζεται ιδιαίτερες προφυλάξεις), υλικό που η συμπεριφορά του κρίνεται πολύ ικανοποιητική, μεταλλικές πασαλοσανίδες (ευρύτατα διαδεδομένο σε χώρες με υψηλή παραγωγή χάλυβα, που όμως χρειάζονται επεξεργασία 17

25 ώστε να μην διαβρώνονται από τους ηλεκτρολύτες της θάλασσας) και τέλος γεωυφάσματα και γεωμεμβράνες που χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση στα εδάφη θεμελιώσεων και την προστασία πρανών από τη δράση κυματισμών. Για την κατασκευή πλωτών στοιχείων λιμενικών έργων χρησιμοποιούνται επιτυχώς διογκωμένη πολυστερίνη (GRP) και άλλα πλαστικά υλικά. Οι μώλοι (Σχ. 2.1) είναι εγκάρσια έργα, επιμήκη τα όποια έχουν αφετηρία την ακτή. Αποτελούν την κύρια μορφή έργων για την προστασία από κυματισμούς και τη δημιουργία λιμενολεκανών. Ανάλογα με τη διεύθυνση του ανέμου που επικρατεί σε μια περιοχή και ανάλογα με την θέση τους διακρίνονται σε υπήνεμους και προσήνεμους. Οι πρώτοι έχουν ως στόχο την προστασία από τις δευτερογενείς κατευθύνσεις του ανέμου και τη μορφοποίηση εισόδου λιμανιού και λεκάνης. Η κατασκευή τους γίνεται ανάλογα με τις απαιτήσεις που υπάρχουν. αν δηλαδή το εσωτερικό τους μέτωπο προορίζεται για ελλιμενισμό σκαφών έχουν κατακόρυφο μέτωπο αλλιώς μπορούν αν κατασκευαστούν με κεκλισμένο πρανές. Το σύνηθες υλικό που χρησιμοποιείται για κατακόρυφα μέτωπα είναι σκυρόδεμα με συμπαγείς ή κυψελωτούς ογκόλιθους ενώ για κεκλισμένα πρανή χρησιμοποιούνται λίθοι με αυξανόμενη διάμετρο και βάρος από τον πυρήνα προς την επιφάνεια (Σχ. 2.2). Η επιφάνεια διαμορφώνεται από ογκόλιθους φυσικούς ή τεχνητούς ενώ η στέψη διαμορφώνεται είτε από μια επίπεδη πλάκα ή από πλάκα σε σχήμα L. Τα ακρομώλια συνήθως διαπλατύνονται για διευκόλυνση ελιγμών ή τοποθέτηση φάρων ενώ θωρακίζονται καλύτερα από τον κορμό για προστασία από τους κυματισμούς που περιθλώνται. Οι βραχίονες (Σχ. 2.3) είναι εγκάρσια έργα με σκοπό την προστασία ακτών ή εκβολών ποταμών από προσαμμώσεις και φράξιμο λόγω φερτών υλικών. Δεν έχουν στέψεις ενώ σε γενικές γραμμές είναι λιγότερο πλατιοί από τους μώλους. Τα υλικά κατασκευής τους μπορεί να είναι κατασκευές πολυαιθυλενίου γεμισμένα με άμμο ή πασαλοφράγματα ξύλινα ή και μεταλλικά. Είναι κάθετα στην ακτή ή με μικρή κλίση και η απόσταση μεταξύ τους είναι 2-3 φορές το μήκος τους, το οποίο μπορεί να εκταθεί σε όλη τη ζώνη θραύσης προκαλώντας μερική ή ολική διακοπή της παράκτιας στερεομεταφοράς (Σχ. 2.4). Η μορφή της ακτογραμμής θα αλλάξει με τη χρήση τους ανάλογα με τις επικρατούσες διευθύνσεις του ανέμου. 18

26 Σχήμα 2.1: Διάταξη μώλου και εγκάρσια τομή του (Κουτίτας,1998) Σχήμα 2.2: Εγκάρσια τομή μώλου με εμφανή τη διαμόρφωσή του (Κουτίτας,1998) Σχήμα 2.3: Διάταξη βραχιόνων και εγκάρσια τομή τους (Κουτίτας,1998) 19

27 Σχήμα 2.4: Τελική μορφή ακτογραμμής με ακτογραμμής μετά τη χρήση βραχιόνων με επικρατούντες ΝΑ ανέμους (Κουτίτας,1998) Οι κυματοθραύστες (Σχ. 2.5) είναι παράλληλα έργα, τα οποία δεν έχουν σημείο επαφής με την ακτή. Σκοπός τους είναι η προστασία ακτών από ισχυρούς κυματισμούς, ενώ σε μερικές περιπτώσεις χρησιμοποιούνται και για αποφυγή διάβρωσης. Η κατασκευή του γίνεται ανάλογα με το υλικό του πυθμένα και την ανάγκη ή μη διαμορφώσεως κατακόρυφου μετώπου. Αν είναι να διέρχεται ένα μέρος κυματικής ενέργειας ώστε να μην υπάρχει προσάμμωση αλλά καλή κυκλοφορία νερού, τότε ο κυματοθραύστης κατασκευάζεται βυθισμένος και υδραυλικά διαπερατός και κατά τμήματα, με αποστάσεις μεταξύ τους μεγαλύτερες από δύο φορές το μήκος των κυμάτων. Σχήμα 2.5: Διάταξη κυματοθραύστη και εγκάρσια τομή ενός μη βυθισμένου (Κουτίτας,1998) 20

28 Οι γέφυρες είναι εγκάρσια έργα κατασκευασμένα πάνω σε πασσάλους και έχουν στέψη τέτοια ώστε να διευκολύνει την κυκλοφορία πεζών και οχημάτων, ενώ σε κάποιες Περιπτώσεις κατασκευάζονται για να περάσουν αγωγοί. Κατασκευάζονται σε προστατευμένες περιοχές όπου το βάθος επαρκεί για την προσέγγιση πλοίων. Είναι κατασκευές μικρού βάρους από χάλυβα ή οπλισμένο σκυρόδεμα. Για να μπορούν να λειτουργήσουν ως προσκρουστήρες ή ως μέρη δέσεως πλοίων πρέπει να εφαρμοστούν προστατευτικές διατάξεις απορρόφησης της κινητικής ενέργειας των πλοίων, γνωστές ως δελφύες. Τέλος οι κρηπιδότοιχοι είναι παράλληλα έργα που επιτρέπουν σε πλοία να δένουν με σκοπό τη φορτοεκφόρτωση. Δημιουργούν κατακόρυφα μέτωπα σε βάθη επαρκή για την προσέγγιση του πλοίου. Οι δυνάμεις που ασκούνται στο έργο από τους διάφορους παράγοντες του περιβάλλοντός τους ισορροπούν. Ανάλογα με την ποιότητα θεμελίωσης του εδάφους, τα οριζόντια φορτία πάνω τους και τα διαθέσιμα υλικά τους χωρίζονται σε κλειστού τύπου και ανοιχτού τύπου (Πίνακας 1.1). Οι κλειστού τύπου κατασκευάζονται από ογκόλιθους αόπλου σκυροδέματος, κιβώτια οπλισμένου σκυροδέματος ή και πασσαλοσανίδες. Η στέψη τους αγκυλώνεται με τις γαιώδεις μάζες πίσω από τον τοίχο. Οι ανοιχτού τύπου (ή αλλιώς δανέζικου τύπου) κατασκευάζονται πάνω σε πασσάλους χωρίς σταθερό τοίχο στο μέτωπο. Η κατασκευή των κρηπιδότοιχων γίνεται με χρήση πλωτών ή χερσαίων μηχανημάτων. Η χρήση των πλωτών γίνεται σε βάθη μεγαλύτερα από δύο μέτρα αλλά απαιτεί ειδικό εξοπλισμό. Με τη χρήση χερσαίων μηχανισμών η κατασκευή γίνεται από την ακτή προς την πλευρά της θάλασσας με μεταφορά των μηχανημάτων επάνω στα ήδη κατασκευασμένα τμήματα του έργου. Σε κάποιες περιπτώσεις ενδέχεται κατασκευή αναχωμάτων στη θάλασσα για γίνει πρόσβαση των μηχανημάτων και κατασκευή των έργων και στη συνέχεια καθαίρεση αυτών. 21

29 Πίνακας 1.1 Χαρακτηριστικοί τύποι κρηπιδότοιχων Ανάλογα τη φύση και τις ανάγκες του έργου υπάρχει περίπτωση οι τυπικές αυτές μορφές έργων να εξειδικευτούν και να πάρουν άλλες μορφές. Υπάρχουν για παράδειγμα μη συμβατικοί τύποι κυματοθραυστών, όπως οι σύνθετοι κυματοθραύστες ιαπωνικού τύπου, οι πλωτοί, οι κυματοθραύστες σε πασσάλους, οι διάτρητοι, οι αέριοι, οι υδραυλικοί και οι τύπου Considère. Επίσης υπάρχουν διαφόρων τύπων κρηπιδώματα που χαρακτηρίζονται ανάλογα με τη χρήση τους. Οι ογκόλιθοι που χρησιμοποιούνται πολλές φορές είναι τεχνητοί. Από το 1950 που εμφανίστηκαν τετράποδοι ογκόλιθοι και έπειτα, έχουν μελετηθεί πολλά σχήματα αυτών με σκοπό να εξασφαλιστεί όλο και καλύτερη αλληλοεμπλοκή, μεγάλο πορώδες, που συνεπάγεται οικονομία υλικού και τέλος δημιουργία σωλήνων ροής που σημαίνει και 22

30 μεγαλύτερη απορρόφηση κυματικής ενέργειας. Ογκόλιθοι ειδικής μορφής εμφανίζονται στο σχ Σχήμα 2.6: Ειδικές μορφές τεχνητών ογκόλιθων (Κουτίτας,1998) Για να σχεδιαστεί ένα έργο πρέπει να ληφθούν υπόψη πολλοί παράγοντες. Σημαντικότεροι από αυτούς είναι η μορφολογία του εδάφους, οι μετεωρολογικές συνθήκες, τα θαλάσσια ρεύματα, η θαλάσσια στάθμη και η κυματική δράση, η μεταφορά ιζημάτων, η σεισμογένεια της περιοχής και η περίοδος ζωής του έργου. 2.2 Σκληρές μέθοδοι Σκληρές μέθοδοι θα μπορούσαν να χαρακτηριστούν οι μεγάλες κατασκευές από σκυρόδεμα ή ογκολίθους παρόμοιες με αυτές των λιμενικών έργων. Στις περιπτώσεις αυτές η προστασία της ακτής μπορεί να γίνει με τους παρακάτω τρόπους: 1.Κατασκευή παράκτιου τοίχου και διευθετήσεις πρανών παράλληλα με την ακτογραμμή. Οι κατασκευές αυτές εμποδίζουν τη διάβρωση της ακτής δεχόμενοι την επίδραση των κυματισμών και τη σταθεροποιούν. Έτσι η παράκτια ζώνη θωρακίζεται και προστατεύονται και άλλα τεχνικά έργα, όπως π.χ. οδοποιίας, κατοικίες κλπ. Επίσης προστατεύουν την παράκτια ζώνη από τις πλημμύρες λόγω της μετεωρολογικής παλίρροιας (storm surges). Συνήθως κατασκευάζονται με περιορισμένο πλάτος παραλίας ή ακόμη και χωρίς παραλία, ώστε να μπορούν να δέχονται στο μέτωπό τους απ ευθείας την δράση των κυματισμών όταν επικρατούν ισχυροί άνεμοι και κυρίως θυελλώδεις καταστάσεις (Silvester & Hsu, 1997, σελ. 279). Η μείωση του πλάτους της παραλίας συνεπάγεται και περιορισμένη δυνατότητα 23

31 εκμετάλλευσής της για αναψυχή. Επιπλέον η κατασκευή ενός περιορισμένου μήκους κατασκευών οδηγεί σε διαβρώσεις και προσχώσεις κατάντη (Silvester & Hsu, 1997, σελ. 282). Ταυτόχρονα σημαντικά είναι και τα προβλήματα υποσκαφής που απαιτούν επιπλέον κατασκευές προστασίας του ποδός. 2.Κατασκευή προβόλων με στέψη πάνω από τη Μέση Στάθμη Θάλασσας. Oι κατασκευές αυτές σταθεροποιούν την ακτή ανάμεσα στους προβόλους εφόσον εμποδίζουν με την παρουσία τους τη στερεομεταφορά παράλληλα στην ακτή. Κατάντη όμως των κατασκευών η διάβρωση της ακτής συνεχίζεται, ενώ τα ρεύματα επαναφοράς (ripcurrents) που δημιουργούνται μεταφέρουν σημαντικές ποσότητες άμμου προς τα ανοιχτά (Silvester & Hsu, 1997, σελ. 285). Ταυτόχρονα σε περιοχές επιβαρυμένες περιβαλλοντικά (π.χ. Θερμαϊκός Κόλπος) μπορεί να προκληθεί σημαντική υποβάθμιση της ποιότητας των νερών ανάμεσα στους προβόλους ιδιαίτερα κατά τους θερινούς μήνες, λόγω της μη ικανοποιητικής ανανέωσής τους. Χαρακτηριστικό είναι το παράδειγμα της Παραλίας Κατερίνης όπου η κατασκευή προβόλων οδήγησε σε σημαντικά προβλήματα ποιότητας νερού, λόγω της διακοπής της παράκτιας κυκλοφορίας και της απομόνωσης ευτροφικών μαζών. Το αποτέλεσμα είναι εμφανές με έντονη δυσοσμία, θολότητα, ευτροφισμό κλπ. Ακόμη και μικρότερες παρεμβάσεις όπως π.χ. στη ακτή του Αγγελοχωρίου όπου κατασκευάστηκε ένας μόνο πρόβολος Βόρεια του Λιμενικού Έργου, οι επιπτώσεις στο θαλάσσιο περιβάλλον είναι σημαντικές (Καραθανάση, 2003). 3.Κατασκευή συστήματος παραλλήλων κυματοθραυστών. Κατασκευάζονται σε βάθη 2 έως 5 m (σε απόσταση από την ακτή μεγαλύτερη του μήκους τους) με κενά ανάμεσά τους που κυμαίνονται από ½ έως 5 φορές το μήκος τους. Μπορεί να κατασκευαστούν και με κλίση ως προς την ακτογραμμή με προσανατολισμό κάθετα στην κύρια διεύθυνση των κυματισμών (Silvester & Hsu, 1997, σελ. 360). Μεταξύ των παράλληλων κυματοθραυστών και της ακτής συμβαίνει αλλαγή της κατεύθυνσης και του ύψους των κυματισμών λόγω περίθλασης και ποσότητες φερτών οδηγούνται και παγιδεύονται στο τμήμα της ζώνης θραύσης πίσω από το έργο, προκαλώντας προσάμμωση και την εμφάνιση «tombolo» που τείνει να ενώσει το έργο με την ακτή ή απλά μιας προεξοχής της ξηράς. Η δημιουργία της προσάμμωσης αυτής συνοδεύεται και από μικρή ή και μεγάλη διάβρωση του τμήματος της ακτής που βρίσκεται πίσω από τα άκρα του μεμονωμένου κυματοθραύστη ή πίσω από τα κενά της σειράς κυματοθραυστών. Κατάντη του έργου όμως, όπως και στην περίπτωση των προβόλων, η διάβρωση είναι αναπόφευκτη. Επιπλέον οπτική όχληση αλλά και η παρεμπόδιση της ελεύθερης κυκλοφορίας των νερών προκαλεί αρνητικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Η ευαισθητοποίηση για την προστασία του περιβάλλοντος γενικότερα και στη συγκεκριμένη περίπτωση του θαλάσσιου και χερσαίου περιβάλλοντος των παράκτιων ζωνών 24

32 δημιούργησε την ανάγκη για αναζήτηση ηπιότερων μορφών έργων προστασίας ακτών (από άποψη λειτουργίας και κατασκευής) με γνώμονα τον περιορισμό των αρνητικών περιβαλλοντικών επιπτώσεων (διάβρωση των γειτονικών ακτών, ποιότητα νερού, αισθητική).έτσι αντίθετα με τις παραπάνω κατασκευές έχουν εφαρμοστεί, ιδιαίτερα τα τελευταία χρόνια, περιβαλλοντικά φιλικές τεχνικές που χαρακτηρίζονται «ήπιες» μέθοδοι προστασίας ακτών. Οι μέθοδοι αυτές είναι περιβαλλοντικά αποδεκτές εφόσον δεν εμποδίζουν με την παρουσία τους (τουλάχιστον σε μεγάλο βαθμό) τις μετακινήσεις των υδάτων και του θαλάσσιου πληθυσμού. 2.3 Ήπιες μέθοδοι προστασίας ακτών Οι πρόσφατες ερευνητικές εξελίξεις στον τομέα της Παράκτιας Μηχανικής που αφορούν στις παράκτιες κυματογενείς διεργασίες, η ραγδαία αύξηση της διαθέσιμης υπολογιστικής ισχύος και η χρήση μαθηματικών μοντέλων για την προσομοίωση των μορφοδυναμικών μεταβολών σε συνδυασμό με την υπάρχουσα εμπειρία και την καινούρια αντίληψη για τις ήπιες τεχνικές κατασκευές, εισάγουν την αρχή της ευαίσθητης προσέγγισης. Η ευαισθητοποίηση για την προστασία του περιβάλλοντος γενικότερα και στη συγκεκριμένη περίπτωση του θαλασσίου και χερσαίου περιβάλλοντος των παράκτιων ζωνών, δημιούργησε την ανάγκη, όπως προαναφέρθηκε, για αναζήτηση ηπιότερων μορφών έργων προστασίας ακτών (από άποψη λειτουργίας και κατασκευής) με γνώμονα τον περιορισμό των αρνητικών περιβαλλοντικών επιπτώσεων (διάβρωση των γειτονικών ακτών, ποιότητα νερού, αισθητική). Έτσι αντίθετα με τις παραπάνω κατασκευές, έχουν εφαρμοστεί, ιδιαίτερα τα τελευταία χρόνια, περιβαλλοντικά φιλικές τεχνικές που χαρακτηρίζονται ήπιες μέθοδοι προστασίας ακτών. Οι μέθοδοι αυτές είναι περιβαλλοντικά αποδεκτές εφόσον δεν εμποδίζουν με την παρουσία τους (τουλάχιστον σε μεγάλο βαθμό) τις μετακινήσεις των υδάτων και του θαλάσσιου πληθυσμού. Αυτό συμβαίνει γιατί κάθε παρέμβαση του ανθρώπου επηρεάζει σε κάποιο βαθμό το σύστημα στο οποίο εμπλέκεται. Οι κυριότερες «ήπιες» μέθοδοι είναι: η τεχνητή ανάπλαση της ακτής, η εγκατάσταση πυθμενικών προβόλων, σε μικρές αποστάσεις μεταξύ τους που καλύπτουν το μήκος της προστατευόμενης ζώνης, οι βυθισμένοι και οι πλωτοί κυματοθραύστες σε θάλασσες με μικρό πλάτος παλίρροιας και η αποστράγγιση της ακτής. Σε πολλές περιπτώσεις χρησιμοποιούνται σε συνδυασμούς (π.χ. τεχνητή ανάπλαση και βυθισμένοι κυματοθραύστες) Βυθισμένοι πρόβολοι Στη μέθοδο αυτή εγκαθίστανται πρόβολοι, που κατασκευάζονται από έγχυτο σκυρόδεμα μέσα σε ελλειψοειδείς διατομές από γεωύφασμα και καλύπτουν το μήκος της προστατευόμενης ζώνης. Η εγκατάσταση των παραπάνω υφάλων μέσα στη ζώνη θραύσης 25

33 επιβάλει επιπλέον θραύση πάνω στους υφάλους και δημιουργία στάσιμων κυματισμών. Ως συνέπεια, υπάρχει μείωση της τυρβώδους κινητικής ενέργειας στα φατνώματα ανάμεσα στους προβόλους, εφόσον μέρος της ενέργειας έχει αποσβεστεί με τη θραύση πάνω στους προβόλους. Επιπλέον δημιουργείται μία νέα κατάσταση κυματογενούς κυκλοφορίας με κύριο χαρακτηριστικό τους στροβίλους στα φατνώματα αλλά και τη μείωση του τρισδιάστατου ρεύματος επαναφοράς (undertow), η δημιουργία του οποίου προϋποθέτει την ύπαρξη προωθούμενων κυματισμών και όχι στάσιμων. Η μείωση της έντασης του κυματογενούς ρεύματος, άρα και της στερεοπαροχής, έχει σαν αποτέλεσμα την παγίδευση μέρους των φερτών και την αποφυγή της διάβρωσης, Εγκάρσια της ακτής ο κύριος μηχανισμός διάβρωσης είναι το τρισδιάστατο ρεύμα επαναφοράς που μεταφέρει τα φερτά κυρίως σε αιώρηση προς τα ανοικτά, απομακρύνοντάς τα από την ακτή. Η δημιουργία του ρεύματος αυτού οφείλεται στην ανάγκη εξισορρόπησης της ροής μάζας πάνω από την κοιλιά ενός προωθούμενου κυματισμού, Η μερική ανάκλαση και η δημιουργία στάσιμων και όχι προωθούμενων κυματισμών, σε συνδυασμό με τη μείωση της τυρβώδους κινητικής ενέργειας στα φατνώματα, λόγω της θραύσης των κυματισμών πάνω στους υφάλους οδηγεί στη μείωση της έντασης της διάβρωσης. Ωστόσο η παραπάνω διαδικασία δεν έχει ερευνηθεί εκτεταμένα παρά τις κάποιες προσπάθειες με τη χρήση μαθηματικών μοντέλων, που όμως δε θα πρέπει να θεωρηθεί ότι πιστοποιούν τη λειτουργία του συστήματος αυτού Βυθισμένοι κυματοθραύστες Οι βυθισμένοι κυματοθραύστες κατασκευάζονται συνήθως από λιθορριπή και ογκόλιθους αλλά και από σκυρόδεμα. Η στέψη τους βρίσκεται κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας επιτρέποντας στο νερό να κυκλοφορεί από πάνω τους, πράγμα που βοηθά στην ανανέωση των νερών της λιμενολεκάνης. Λόγω της παρουσίας τους, ένα μέρος της κυματικής ενέργειας ανακλάται προς τα ανοιχτά και ένα μέρος της μεταδίδεται προς την ακτή. Η απόσβεση της κυματικής ενέργειας πραγματοποιείται με τη θραύση πάνω στην κατασκευή ή και μέσω των τυρβωδών ροών στην επιφάνεια και το εσωτερικό τους. Ο συντελεστής ανακλάσεως είναι της τάξεως του 20%, ενώ ο συντελεστής μετάδοσης εξαρτάται από πολλούς παράγοντες που σχετίζονται με την απώλεια ενέργειας. Η παρουσία τους παράλληλα στην ακτή μειώνει τη διαβρωτική εγκάρσια δράση των κυματισμών και ενισχύει την πρόσχωση (Καραθανάση, 2004). Οι ΒΚ κατασκευάζονται σε βάθη μεγαλύτερα των 3-4m, συνήθως σε περιοχές με μικρό εύρος παλίρροιας (Μεσόγειος Θάλασσα). Όταν το εύρος της παλίρροιας είναι σημαντικό, η απόσταση της κορυφής των ΒΚ από τη στάθμη της θάλασσας είναι κατά διαστήματα μεγάλη με αποτέλεσμα η επίδρασή τους στην απόσβεση της κυματικής ενέργειας να είναι μικρή και συνεπώς η αποτελεσματικότητά τους μειώνεται. Σε θάλασσες με σημαντικό εύρος 26

34 παλίρροιας ή όταν έχουμε συχνές διακυμάνσεις της Μέσης Στάθμης Θάλασσας (μετεωρολογική παλίρροια) κατασκευάζονται συνήθως με πολύ μεγαλύτερο πλάτος (artificial reefs) που όμως αυξάνει σημαντικά το κόστος. Σχήμα 2.7 Μεμονωμένος Βυθισμένος Κυματοθραύστης και σειρά Βυθισμένων Κυματοθραυστών. (Καραμπάς) Οι ΒΚ μειώνουν την κυματική ενέργεια που προσπίπτει στην ακτή αφού η παρουσία τους (Σχήμα 2.8): οδηγεί στη θραύση των κυματισμών στην παρειά ή πάνω από αυτούς ανακλά ένα μέρος της ενέργειας προς τα ανοιχτά έχει ως αποτέλεσμα την απώλεια ενέργειας λόγω της ροής στο εσωτερικό πορώδες σώμα αλλά και λόγω της τριβής στην επιφάνειά του. 27

35 Σχήμα 2.8 : Σχηματική αναπαράσταση λειτουργίας ΒΚ. (Καραμπάς) Όπως και οι συμβατικοί κυματοθραύστες, οι ΒΚ δημιουργούν στη σκιά τους μια προστατευόμενη περιοχή όπου μπορεί να σχηματιστεί προεξοχή (salient), για σχετικά μεγάλoυς λόγους LΑ/LB (LA =απόσταση από την ακτή, LB= μήκος) ή tombolo για μικρούς λόγους LΑ/LB (Σχήμα 2.9). Αυτό γίνεται λόγω της μορφής των κυματογενών ρευμάτων που δημιουργούνται. Οι κυματισμοί προσπίπτοντας στον ΒΚ χάνουν σημαντικό μέρος της ενέργειάς τους. Στα ενδιάμεσα κενά όμως οι κυματισμοί προωθούνται προς την ακτή έχοντας μεγαλύτερη ενέργεια και συνεπώς θραύονται σε μεγαλύτερα βάθη από ότι αυτοί πίσω από τον κυματοθραύστη. Με το τρόπο αυτό δημιουργούνται διαφορές στη στάθμη της θάλασσας κατά μήκος της ακτής που οδηγούν στην δημιουργία των κυματογενών ρευμάτων. Τα ρεύματα αυτά μεταφέρουν την άμμο (που έχει αποσταθεροποιηθεί από τους κυματισμούς) από τα ενδιάμεσα ανοίγματα προς το κέντρο, μεταβάλλοντας την αρχική βυθομετρία και δημιουργώντας μια προεξοχή ή tombolo στη σκιά του κυματοθραύστη. Ο μηχανισμός είναι παρόμοιος με εκείνο των συμβατικών κυματοθραυστών που κατασκευάζονται παράλληλα στην ακτή. 28

36 Σχήμα 2.9 : Δημιουργία προεξοχής (salient) ή tombolo. (Καραθανάση,2004) Στην περίπτωση όμως των ΒΚ υπάρχει μια σημαντική διαφορά από τους συμβατικούς κυματοθραύστες: Όταν οι κυματισμοί περνούν πάνω από τους ΒΚ η μάζα νερού που εισέρχεται στην περιοχή ανάμεσα σε αυτούς και την ακτή, αυξάνει τη Μέση Στάθμη Θάλασσας (ΜΣΘ), με συνέπεια τη δημιουργία ρευμάτων επαναφοράς (προς τα ανοιχτά) μέσα από τα κενά της σειράς ΒΚ. Τα ρεύματα αυτά δημιουργούν διαβρώσεις κυρίως στα κενά μεταξύ των ΒΚ. Οι ΒΚ έχουν μειονεκτήματα όπως και οι συμβατικοί όσον αφορά στην εξέλιξη της ακτογραμμής κατάντη, όπου παρατηρείται διάβρωση. Πράγματι εφόσον στη «σκιά» τους μειώνεται η ενέργειά των κυματισμών, μειώνεται και η ένταση του κυματογενούς ρεύματος και συνεπώς μειώνεται και η στερεοπαροχή παράλληλα στην ακτή. Έτσι, στη «σκιά»των κυματοθραυστών γίνεται εναπόθεση υλικού, το οποίο όμως στερείται από την ακτή που βρίσκεται κατάντη με αποτέλεσμα τη διάβρωσή της. Ωστόσο οι συμβατικοί κυματοθραύστες δημιουργούν κλειστές λιμενολεκάνες, με αντίστοιχη υποβάθμιση της ποιότητας νερού. Επιπλέον η οπτική επίπτωσή τους είναι ιδιαίτερα αρνητική σε περιοχές με θέα υψηλής ποιότητας. Άλλες μορφές βυθισμένων κυματοθραυστών Εκτός από την κλασσική μορφή ΒΚ από λιθορριπή, που αναφέρθηκαν στις προηγούμενες παραγράφους, μπορούν να κατασκευαστούν και άλλες μορφές: Σφαιρικοί ύφαλοι (Reef Ball) Πρόκειται για προκατασκευασμένες μονάδες από οπλισμένο σκυρόδεμα με περίπου ημισφαιρική μορφή (Σχήμα 2.10). Το κέλυφός τους φέρει οπές διαφόρων μεγεθών. Το ύψος τους φτάνει τα 1.40m και η διάμετρος της βάσης τα 2m. Τοποθετούνται σε βάθη μικρότερα των 2-2.5m σε πολλές σειρές. Λειτουργούν όπως οι ΒΚ αποσβένοντας την ενέργεια των 29

37 κυματισμών που προσπίπτουν. Είναι περιβαλλοντικά αόρατοι και έχουν το επιπλέον πλεονέκτημα να επιτρέπουν στα ψάρια να «κατοικήσουν» και να αναπαραχθούν στο εσωτερικό τους. Η εφαρμογή τους σε ορισμένες περιπτώσεις στην Αμερικάνικη Ήπειρο ήταν ιδιαίτερα ικανοποιητική: προστάτευσαν αλλά και ενίσχυσαν ακτές (περίπτωση ακτής Gran Dominicus, Σχήμα σύμφωνα με τεχνική έκθεση του μηχανικού των ΗΠΑ (U.S.Army Corps of Engineers). Επιπλέον παρουσίασαν ικανοποιητική ευστάθεια ακόμα και κάτω από συνθήκες τυφώνα (1998, τυφώνας Georges). Σύμφωνα πάντα με την παραπάνω τεχνική έκθεση, όχι μόνο αυξήθηκε το πλάτος της ακτής αλλά και δεν παρατηρήθηκε διάβρωση των εκατέρωθεν ακτών (!). Ωστόσο θα πρέπει να είμαστε επιφυλακτικοί για την εφαρμογή τους, πριν γίνουν εμπεριστατωμένες μελέτες (μετρήσεις πεδίου, εργαστηρίου, μαθηματική περιγραφή των φαινομένων). Σχήμα 2.10: Σφαιρικοί ύφαλοι 30 Σχήμα 2.11 Εφαρμογές των Reef Balls Ακτή Saint John s, Antigua

38 Σχήμα 2.12: Εφαρμογές των Reef Balls στο Grand Dominicus Resort ( Τεχνητή ανάπλαση ακτής Η τεχνητή ανάπλαση της ακτής (beach nourishment) θεωρείται η πλέον διαδεδομένη και επωφελής ήπια μέθοδος προστασίας ακτών από διάβρωση. Στη μέθοδο αυτή τροφοδοτείται η ακτή με άμμο που λαμβάνεται από άλλες ακτές όπου υπάρχει περίσσεια υλικού αλλά και από τα ανοιχτά. Το υλικό τοποθετείται έτσι ώστε να επεκτείνεται η ακτή προς τη θάλασσα. Το ύψος που γίνεται η εναπόθεση του υλικού είναι της τάξης των 2-3 μέτρων πάνω από τη μέση στάθμη της θάλασσας (ΜΣΘ). Μετά την εναπόθεση της άμμου, οι κυματισμοί θα διαμορφώσουν μια νέα κατάσταση ισορροπίας. Τα παράκτια κυματογενή ρεύματα θα οδηγήσουν σε πλευρικές απώλειες ενώ οι κυματισμοί που προσπίπτουν κάθετα θα διαμορφώσουν το προφίλ ισορροπίας. Ανάλογα με τη χαρακτηριστική διάμετρο των κόκκων, που μπορεί να είναι μεγαλύτερη, ίση ή μικρότερη από αυτή των ήδη υπαρχόντων κόκκων, θα διαμορφωθούν ανάλογα προφίλ. Τα προφίλ αυτά θα έχουν πιο ήπια, ίση ή μεγαλύτερη κλίση από την υφιστάμενη ακτή με αποτέλεσμα τη διατήρηση του πλάτους της νέας παραλίας που διαμορφώθηκε, ή την μερική ή και ολική απώλεια της.(σχήμα 2,13) 31

39 Σχήμα 2.13: Εγκάρσιες και πλευρικές απώλειες άμμου (Καραμπάς) Σχήμα 2.14: : Παραλία πριν και μετά την καταιγίδα Οι μεγάλες καταιγίδες επιφέρουν μεταφορά ιζημάτων από την ακτή που έχει υποστεί τεχνητή ανάπλαση και μεταφέρει την άμμο στην ανοιχτή θάλασσα. Όταν συμβαίνει αυτό, τα κύματα θραύονται πιο μακριά από την ακτογραμμή, αποδυναμώνοντας έτσι την ισχύ τους πριν φτάσουν στην ίδια την ακτογραμμή. Με τον τρόπο αυτό, η μέθοδος τεχνητής ανάπλασης βοηθά στην προστασία των αμμοθινών από την περαιτέρω διάβρωση, μειώνουν τις πλημμύρες, και περιορίζουν το πόσο μακριά από τη στεριά θα φτάσει το κύμα θύελλας. Μια αναβαθμίδα με επαρκή όγκο άμμου κρατά τη διαβρωτική δύναμη των κυμάτων από το να φτάσουν και να καταστρέψουν τους αμμόλοφους και τις κατασκευές και μπορεί να μειώσει σημαντικά τις ζημιές από τα κύματα, από τις πλημμύρες και τη διάβρωση. 32

40 Η τεχνητή ανάπλαση μπορεί να συνοδεύεται και από άλλα τεχνητά έργα προστασίας που βοηθούν στον εγκλωβισμό των ποσοτήτων άμμου που μεταφέρθηκαν και ελαχιστοποιούν τις πιθανότητες να υπάρχουν πλευρικές και εγκάρσιες απώλειες. Έτσι μπορεί να κατασκευασθούν πλευρικοί πρόβολοι ή παράλληλα στην ακτή βυθισμένοι κυματοθραύστες. δράση του βυθισμένου κυματοθραύστη είναι διπλή: εμποδίζει την διαφυγή της άμμου προς τα ανοιχτά ενώ ταυτόχρονα προστατεύει την ακτή από τη διαβρωτική δράση των μεγάλων κυματισμών οι οποίοι θραύονται πάνω από αυτόν.(σχ.2.15) Η μέθοδος της τεχνητής ανάπλασης θεωρείται περιβαλλοντικά μία σχετικά φιλική λύση, εφόσον απλά αντικαθίσταται το υλικό που διαβρώνεται. Βέβαια, τόσο στην περιοχή αμμοληψίας όσο και στην περιοχή εναπόθεσης της άμμου, διαταράσσεται η πανίδα του βυθού. Ωστόσο η επίπτωση αυτή ίσως είναι αναστρέψιμη. Το βασικότερο πλεονέκτημά της, από τεχνητή άποψη, είναι ότι δε δημιουργούνται διαβρώσεις κατάντη της περιοχής που αναπλάθεται, όπως συμβαίνει στα περισσότερα έργα προστασίας. Επιπλέον το κόστος της είναι συγκριτικά μικρότερο από αυτό των συμβατικών μεθόδων, όταν η θέση αμμοληψίας βρίσκεται κοντά στην περιοχή ανάπλασης. Σχήμα 2.15: Τεχνητή ανάπλαση σε συνδυασμό με βυθισμένο κυματοθραύστη 33

41 Εικόνα 2.17:Εφαρμογή της τεχνητής ανάπλασης Σύστημα στράγγισης Ένας σημαντικός παράγοντας που οδηγεί σε διάβρωση είναι η έκπλυση υλικού στη ζώνη αναρρίχησης από κυματισμούς μεγάλης καμπυλότητας που καθώς δεν διηθούνται σημαντικά στο έδαφος. Η επιφανειακή επιστροφή της μάζας του νερού στη φάση της υποχώρησης του κύματος, προκαλεί διάβρωση. Πρόσφατα έχει διερευνηθεί διάταξη κατασκευής υπόγειου επιμήκους φίλτρου στη ζώνη αναρρίχησης ( Οι αναρριχώμενες μάζες διηθούνται στο μεγαλύτερο ποσοστό τους μέσα από το φίλτρο και με αντλητικό σύστημα και υποβρύχιο αγωγό επιστρέφουν στα ανοιχτά. Κατά την επιστροφή (κάθοδο) του κυματισμού που αναρριχήθηκε σε μια ακτή η πίεση με κατεύθυνση προς τα πάνω οδηγεί σε ανάβλυση του νερού (ή και ρευστοποίηση του πυθμένα) που αυξάνει την στερεομεταφορά των φερτών υλών προς τα ανοιχτά (Σχήμα 2.17). Το ενεργό βυθισμένο βάρος της άμμου W w μετά την επίδραση της δύναμης της διήθησης, γίνεται (Καραμπάς, 2002): (2.1) όπου w είναι η κατακόρυφη ταχύτητα στον πυθμένα (θετική προς τα πάνω), K η υδραυλική διαπερατότητα και W o είναι το βυθισμένο βάρος στην περίπτωση που δεν υπάρχει ροή δια μέσου του πυθμένα. Η λειτουργία του συστήματος στράγγισης έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της κατακόρυφης ταχύτητας στον πυθμένα w που έχει κατεύθυνση προς τα πάνω (ή ακόμα και την αλλαγή της κατεύθυνσής της) με συνέπεια την αύξηση του ενεργού βάρους της άμμου (σχέση 2.1). Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται μείωση της στερεοπαροχής με κατεύθυνση προς τα ανοιχτά, που οδηγεί τελικά στην πρόσχωση της ακτής ή τη μείωση της διάβρωσής της (Σχήμα 2.17). 34