Keywords: Wave model, hydrodynamic model, ADCP, Nestos River Delta.

Transcript

1 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΚΥΜΑΤΙΚΟΥ ΚΛΙΜΑΤΟΣ ΚΑΙ ΥΔΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑΣ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΟΧΗ ΕΚΒΟΛΩΝ π. ΝΕΣΤΟΥ - ΕΦΑΡΜΟΓΗ, ΕΠΑΛΗΘΕΥΣΗ ΚΑΙ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΚΥΜΑΤΙΚΟΥ ΚΑΙ ΥΔΡΟΔΥΝΑΜΙΚΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟΥ ΟΜΟΙΩΜΑΤΟΣ Αναστασίου Σ., Συλαίος Γ. Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής & Τεχνολογίας, Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος, Πολυτεχνική Σχολή, Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης, Ξάνθη, sotiriaanastasiou@yahoo.com, gsylaios@env.duth.gr Γίνεται η περιγραφή του ανεμολογικού και του κυματικού κλίματος καθώς και της υδροδυναμικής κυκλοφορίας στην περιοχή των εκβολών του ποταμού Νέστου, όπου το πρόβλημα της παράκτιας διάβρωσης είναι ιδιαίτερα έντονο, μετά τη φραγματοποίηση του ποταμού, και διερευνώνται οι αλληλεξαρτήσεις των χαρακτηριστικών τους. Το κυματικό κλίμα διερευνήθηκε με την εφαρμογή του μαθηματικού ομοιώματος SWAN (TU Delft), σε τρία πλέγματα διαδοχικά μεγαλύτερης διακριτότητας πλήρως διασυνδεδεμένα μεταξύ τους με τη μέθοδο nesting. Η υδροδυναμική κυκλοφορία εξετάσθηκε με την εφαρμογή του τρισδιάστατου μαθηματικού ομοιώματος ELCOM, και τη μεταφορά των υδροδυναμικών αποτελεσμάτων στο κυματικό ομοίωμα. Τα παραγόμενα αποτελεσμάτων και των δύο ομοιωμάτων συγκρίθηκαν με μετρήσεις πεδίου (ADCP) με στόχο τη βαθμονόμηση και πιστοποίηση των ομοιωμάτων. Λέξεις κλειδιά: Κυματικό ομοίωμα, υδροδυναμικό ομοίωμα, ADCP, εκβολές π. Νέστου. DESCRIPTION OF WAVE CLIMATE CHARACTERISTICS AND HYDRODYNAMIC CIRCULATION IN THE NESTOS RIVER DELTA AREA APPLICATION, VALIDATION AND COUPLING OF WAVE AND HYDRODYNAMIC MODELS Anastasiou S., Sylaios G. Laboratory of Ecological Engineering and Technology, Department of Environmental Engineering, Democritus University of Thrace, Xanthi, sotiriaanastasiou@yahoo.com, gsylaios@env.duth.gr This paper describes the wind and wave climate and the hydrodynamic circulation and investigates their interdependences in the coastal deltaic zone of Nestos River. The study area is characterized by severe erosion phenomena intensified after river damming. The wave climate was studied using a near-shore wave model (SWAN, TU Delft) at three interconnected, with gradually-increased resolution grids. The hydrodynamic circulation was simulated by applying the 3D ELCOM model and importing its results in the wave model. Both models results were compared with in-situ moored ADCP data for the final validation and calibration. Keywords: Wave model, hydrodynamic model, ADCP, Nestos River Delta. 1. Εισαγωγή Τις τελευταίες δεκαετίες έχει παρατηρηθεί η επιτάχυνση των διεργασιών διάβρωσης των παράκτιων ζωνών στην Μεσόγειο (Brochier & Ramieri, 2001). Εκτεταμένες μελέτες αυτού του φαινόμενου έχουν επιβεβαιώσει την τεράστια επίδραση των ανθρώπινων παρεμβάσεων σε συνδυασμό με τις κλιματικές αλλαγές σαν τις κύριες αιτίες της εμφάνισης του. Στον Ελλαδικό χώρο οι επιπτώσεις του φαινομένου είναι ιδιαίτερα σοβαρές καθώς το 28,6% των ακτογραμμών 1

2 έχουν υποστεί τις επιπτώσεις της παράκτιας διάβρωσης (EUROSION, 2004). Ειδικότερα, στην περιοχή της Κεραμωτής Ν. Καβάλας, η κατασκευή φραγμάτων στον π. Νέστο, του βασικού τροφοδότη φερτών υλών της περιοχής και η συνδυασμένη δράση κυμάτων και διαμηκών ρευμάτων προκαλεί τη δυναμική μεταβολή της ακτογραμμής, εμφανίζοντας εναλλαγές περιοχών διάβρωσης και απόθεσης ιζημάτων (Xeidakis et al., 2010). Η παρούσα εργασία αποσκοπεί στην περιγραφή του κυματικού κλίματος και της υδροδυναμικής κυκλοφορίας στο Στενό Κεραμωτής-Θάσου, με ιδιαίτερη έμφαση στην περιοχή της ακτογραμμής των εκβολών του π. Νέστου, με τη χρήση συνδυασμένων μαθηματικών ομοιωμάτων. 2. Περιγραφή περιοχής μελέτης Η ευρύτερη περιοχή στην οποία εφαρμόστηκε το κυματικό ομοίωμα SWAN καλύπτει το Θρακικό Πέλαγος και εκτείνεται βόρεια από τη νοητή γραμμή μεταξύ του Αγίου Ευστρατίου και τη χερσόνησο του Άθω (νότιο όριο) έως την ακτογραμμή του Θρακικού Πελάγους και ανατολικά, από τον Κόλπο Αλεξανδρούπολης έως τον Κόλπο Καβάλας, περιλαμβανομένου και του Δέλτα του π. Νέστου (Εικ. 1). Η περιοχή στην οποία εφαρμόσθηκε το υδροδυναμικό ομοίωμα ELCOM τοποθετείται ανάμεσα στη Ν. Θάσο και την ακτογραμμή που εκτείνεται από τις εκβολές του π. Νέστου έως τις αποθέσεις άμμου δυτικά της πόλης της Κεραμωτής, η οποία καλείται Στενό Θάσου (Thassos Passage) (Εικ. 1). Στο μέσο περίπου της περιοχής υπάρχει η Ν. Θασσοπούλα με εμβαδόν m 2 και απέναντί της η πόλη της Κεραμωτής, εγκατεστημένη πάνω στην αμμόγλωσσα. Η παράκτια περιοχή βασικού ενδιαφέροντος περιλαμβάνει τις εκβολές του π. Νέστου και τις αποθέσεις άμμου στην ακτογραμμή της πόλης της Κεραμωτής. Σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση των συνθηκών διάβρωσης - απόθεσης έχει και η εκροή των μαζών γλυκού νερού από τον π. Νέστο. Ολόκληρη η παράκτια περιοχή χαρακτηρίζεται από έντονα φαινόμενα διάβρωσης, λόγω της πενηνταετούς λειτουργίας του αρδευτικού φράγματος των Τοξοτών, αλλά και της πιο σύγχρονης κατασκευής και λειτουργίας των μεγάλων υδροηλεκτρικών φραγμάτων Θησαυρού και Πλατανόβρυσης, στο βόρειο τμήμα της ελληνικής υπολεκάνης του π. Νέστου. Η βαθυμετρία της περιοχής μελέτης ψηφιοποιήθηκε με το λογισμικό MapΙnfo v.10 και το υπολογιστικό πλέγμα προέκυψε με τη χρήση του λογισμικού Vertical Mapper μέσω γραμμικής παρεμβολής των τιμών βάθους σε κάθε κελί του πλέγματος. 2

3 Εικ. 1: Περιοχή μελέτης και οριοθέτηση των τριών πλεγμάτων εφαρμογής του κυματικού ομοιώματος SWAN και του πλέγματος εφαρμογής του υδροδυναμικού ομοιώματος ELCOM. 3. Κυματικά, υδρογραφικά και ανεμολογικά δεδομένα Στον πυθμένα της περιοχής μελέτης ποντίσθηκε ο σταθμός συνεχούς καταγραφής «ΤΡΙΤΩΝ» αποτελούμενος από έναν ακουστικό ρευματογράφο τύπου TRDI ADCP 300 KHz με επιπρόσθετη δυνατότητα καταγραφής του κατευθυντικού κύματος, και ένα θολερόμετρο (OBS 3A) εφοδιασμένο με αισθητήρες πίεσης και θερμοκρασίας. Ο σταθμός ποντίσθηκε σε βάθος 23 μ. στην περιοχή δυτικά της πόλης της Κεραμωτής, με συντεταγμένες 40 ο 51' 284''Β, 24 ο 38' 659''Α. Εκτός από τα δεδομένα κυματικών χαρακτηριστικών (σημαντικό ύψος, περίοδος, διεύθυνση διάδοσης κύματος και παλιρροιακή μεταβολή στάθμης θάλασσας τα οποία καταγράφονται κάθε 3 ώρες), συλλέγονται και δεδομένα ταχύτητας και διεύθυνσης των ρευμάτων καθ όλη την υδάτινη στήλη, με χρονικό βήμα 20 λεπτών. Για την παροχή οριακών συνθηκών στο κυματικό ομοίωμα χρησιμοποιήθηκαν παράλληλα και τα μετεωρολογικά και κυματικά δεδομένα συνεχούς καταγραφής της πλατφόρμας παρακολούθησης του δικτύου «Ποσειδών», που βρίσκεται νότια του Άθω (39 27 N, E). Τα κυματικά δεδομένα και των δύο σταθμών αφορούν τη χρονική περίοδο 20/7/2007 έως 19/5/2008. Τα δεδομένα στάθμης της ελεύθερης επιφάνειας της θάλασσας καθώς οι ταχύτητες και διευθύνσεις ρευμάτων όπως κατεγράφησαν από το ADCP αφορούν τη χρονική περίοδο από 9/7/2007 έως 14/1/2008. Ωστόσο, η χρονοσειρά των μετρήσεων παρουσιάζει κενά τα οποία οφείλονται σε θέματα συντήρησης των οργάνων καθώς και δυσλειτουργιών που προέκυψαν. Σε ό,τι αφορά τα μετεωρολογικά δεδομένα για την περιοχή γύρω από το σταθμό «ΤΡΙΤΩΝ», αυτά προήλθαν από το NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) και αφορούν στη χρονική περίοδο από 9/7/2007 έως 19/5/2008 με βήμα χρόνου τριών ωρών. 3

4 3.1. ΑΝΑΛΥΣH ΔΙΑΚΥΜΑΝΣΕΩΝ ΕΛΕΥΘΕΡΗΣ ΣΤΑΘΜΗΣ ΚΑΙ ΥΔΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑΣ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΟΧΗ ΤΟΥ ΣΤΑΘΜΟΥ Για την ανάλυση των διακυμάνσεων της ελεύθερης στάθμης και των παλιρροιακών και υπολειπόμενων επιφανειακών ρευμάτων εφαρμόστηκε η μέθοδος αρμονικής ανάλυσης των ελαχίστων τετραγώνων (harmonic tidal analysis by the method of least squares - HAMELS) με την βοήθεια των λογισμικών Worldtides (Boon, 2007) και Worldcurrents (Boon, 2006), αντίστοιχα. Από την ανάλυση των παλιρροϊκών συνιστωσών για όλη τη χρονική περίοδο μετρήσεων, προέκυψε ότι στην περιοχή μελέτης τo σημαντικότερο ρόλο παίζουν οι κυριότερες πέντε παλιρροιακές συνιστώσες O1, K1, N2, M2 και S2 των οποίων τα χαρακτηριστικά δίνονται στον Πίνακα 1. Το είδος της παλίρροιας υπολογίσθηκε από τον τύπο του Defant (1958) και μπορεί να χαρακτηριστεί ως μικτή κυρίως ημί-ημερήσια. Η κατώτατη αστρονομική παλίρροια (LAT, lowest astronomical tide) φτάνει τα m και ανώτατη αστρονομική παλίρροια (HAT, highest astronomical tide) τα 0.160m. Στην περιοχή οι σημαντικότερες συνισταμένες από άποψη συνεισφοράς είναι η σεληνιακή ημι-ημερήσια (Μ2) και η ηλιακή ημι-ημερήσια (S2). Το εύρος των συνιστωσών της παλίρροιας στην περιοχή είναι πολύ χαμηλό ενώ από την άλλη το υπολειπόμενο ύψος κατά μέσο όρο κυμαίνεται κάτω από τη μέση στάθμη στα μ. και πάνω από αυτή στα μ. Οι μεγαλύτερες συνολικά διακυμάνσεις παρατηρούνται κατά τη διάρκεια του Δεκεμβρίου ( μ) και δευτερευόντως κατά τον Ιανουάριο. Πίνακας 1: Περιγραφή των παλιρροιακών συνιστωσών ανάλυση 188 ημερών (9/7/ /1/2008). Συνιστώσες παλίρροιας Εύρος (μ) Φάση (μοίρες) O K N M S Τα επιφανειακά ρεύματα και τα ρεύματα πυθμένα για όλη τη χρονική περίοδο μελέτης, εμφανίζονται κυρίως από βορειοανατολικές διευθύνσεις με συχνότητες άνω του 30% και 38%, αντίστοιχα, και σε μικρότερο ποσοστό από την ανατολική διεύθυνση με ποσοστά 25% και 18%, αντίστοιχα. Στις βορειοανατολικές διευθύνσεις εμφανίζονται και οι μέγιστες ταχύτητες των 1.5 m/s για το επιφανειακό και 0.75 m/s για το ρεύμα πυθμένα, κατά τη διάρκεια των χειμερινών μηνών, σε πλήρη αντιστοιχία με τις μέγιστες ταχύτητες ανέμου (15-20 m/s). Α Β Εικ. 2: Ροδόγραμμα συχνοτήτων ταχύτητας- διεύθυνσης: Α) επιφανειακού ρεύματος Β) ρεύματος πυθμένα στην περιοχή του σταθμού του Τρίτωνα χειμερινή περίοδος. 4

5 Οι μέγιστες ταχύτητες των επιφανειακών ρευμάτων παρατηρούνται κυρίως κατά τη διάρκεια του Οκτωβρίου, Νοεμβρίου και Δεκεμβρίου σχεδόν παράλληλα με την εμφάνιση και των μεγαλύτερων διακυμάνσεων στην ελεύθερη στάθμη της θάλασσας στην περιοχή. Το ρεύμα πυθμένα παρουσιάζεται ελαφρώς στραμμένο προς το βορά σε σχέση με το επιφανειακό στην περιοχή του σταθμού. Οι κατακόρυφες ταχύτητες ρεύματος κοντά στην κεφαλή της συσκευής (βάθος m), είναι χαμηλές με μέγιστη τιμή τα 0,07 m/s και μέσο όρο τα 0,0053 m/s και εμφανίζονται κυρίως καθοδικές σε ποσοστό 54.14% ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΥΜΑΤΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Από την ανάλυση των σημαντικών κυματικών υψών προκύπτει ότι για το σταθμό «ΤΡΙΤΩΝ» τα κύματα με σημαντικό ύψος έως και 0.3 m διαθέτουν συχνότητα εμφάνισης άνω του 58%. Οι μέγιστες τιμές του σημαντικού ύψους κύματος είναι 1.51 m και οι τιμές περιόδων των μέγιστων κυμάτων είναι 11.6 s. Τα κύματα στο σταθμό σε όλη σχεδόν τη χρονική περίοδο μελέτης, προέρχονται από νότιο-ανατολική και ανατολική διεύθυνση (συχνότητα εμφάνισης 51,7% και 16,1%, αντίστοιχα). Τα μεγαλύτερα ύψη κύματος στο σταθμό εμφανίζονται από τη νότιο-ανατολική, και νότιο-δυτική διεύθυνση (77,8% και 22,2%, αντίστοιχα) και παρατηρήθηκαν κατά τη διάρκεια του Οκτωβρίου και του Μαρτίου, ενώ τα μικρότερα κατά τη διάρκεια των τελευταίων ανοιξιάτικων και των καλοκαιρινών μηνών. Οι περίοδοι είναι μεγαλύτερες κυρίως κατά τους χειμερινούς μήνες. Το 20% των μέγιστων τιμών του σημαντικού ύψους κύματος για τηνχρονική περίοδο όπως κατεγράφησαν από τον σταθμό «ΤΡΙΤΩΝ» παρουσιάζεται με μεγαλύτερη συχνότητα από νότιο-ανατολική (63,6%) και ανατολική διεύθυνση (22,2%). Από αυτά τα μεγαλύτερα ύψη κύματος στο σύνολο εμφανίζονται από νότιο-δυτική διεύθυνση. Οι αντίστοιχα χρονικά άνεμοι στα τρία όρια είναι κυρίως Βόρειο-ανατολικής διεύθυνσης με συχνότητα κοντά στο 50%. Ωστόσο, οι μέγιστες ταχύτητες ανέμου για το νότιο όριο αφορούν Νότιο-ανατολικό άνεμο όπου και έχουμε και τα μεγαλύτερα ποσοστά ενέργειας. Οι μέγιστες τιμές ύψους κύματος στο σταθμό «ΤΡΙΤΩΝ» παρατηρούνται για τιμές ύψους κύματος στο σταθμό του Άθω μεταξύ 2-3 m, ενώ για τιμές μεταξύ 1-2 m οι τιμές του ύψους κύματος στο σταθμό «ΤΡΙΤΩΝ» παρουσιάζουν ομοιόμορφη κατανομή σε ό,τι αφορά την τάξη μεγέθους Οι μέγιστες συχνότητες εμφάνισης κυμάτων στο σταθμό «ΤΡΙΤΩΝ» παρατηρούνται γενικά από τις ανατολικές και νοτιοανατολικές διευθύνσεις, για όλες σχεδόν τις διευθύνσεις κύματος του Άθω ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΝΕΜΟΛΟΓΙΚΟΥ ΚΛΙΜΑΤΟΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΜΕΛΕΤΗΣ Σε ό,τι αφορά την κυκλοφορία του ανέμου η περιοχή μελέτης επηρεάζεται από τους εποχικούς βορειοανατολικούς ανέμους γνωστούς και ως μελτέμια (Etesian winds), οι οποίοι εμφανίζονται στην ανατολική Μεσόγειο από τα τέλη Απριλίου και συνεχίζουν ανάλογα με την περιοχή έως τις αρχές του Οκτωβρίου. Επίσης επηρεάζεται και από το ανάγλυφου της Ν. Θάσου, με υψόμετρα που φτάνουν έως και τα m (όρος Υψάριο), με αποτέλεσμα να περιορίζεται σημαντικά η επίδραση των νοτίων ανέμων στην περιοχή των εκβολών. Οι μεγαλύτερες ταχύτητες ανέμου έως και 21 m/s εμφανίζονται στο νότιο άκρο της ευρύτερης περιοχής μελέτης το οποίο αντιστοιχεί στην περιοχή του σταθμού μετρήσεων κυματικών παραμέτρων του συστήματος Ποσειδών. Οι κύριες διευθύνσεις ανέμου για το Θρακικό Πέλαγος αφορούν άνεμο με κατεύθυνση Βορειοανατολική. Στο δυτικό όριο ο άνεμος παρουσιάζεται με μεγαλύτερη συχνότητα από διευθύνσεις που καλύπτουν κυρίως τους τομείς από 5

6 βόρια δυτικά έως ανατολικά ενώ στην υπόλοιπη περιοχή έχουμε και ανέμους που πνέουν από νότιες διευθύνσεις. 4. Εφαρμογή μαθηματικών ομοιωμάτων 4.1. ΤΟ ΥΔΡΟΔΥΝΑΜΙΚΟ ΟΜΟΙΩΜΑ ELCOM Στη συγκεκριμένη εργασία, για την προσομοίωση της παράκτιας κυκλοφορίας εφαρμόσθηκε το υδροδυναμικό τρισδιάστατο μαθηματικό ομοίωμα ELCOM (Estuary, Lake and Coastal Ocean Model), το οποίο έχει αναπτυχθεί στο Center for Water Research του Πανεπιστημίου της Δυτικής Αυστραλίας (Hodges and Dallimore, 2006). Ο κάνναβος αποτελείται από 96x119 κελιά με μήκος πλευράς 200m ενώ η κατακόρυφη διεύθυνση διακριτοποιήθηκε σε 16 επίπεδα σταδιακά μεγαλύτερου εύρους. Το βάθος του επιφανειακού και υπό-επιφανειακού επιπέδου καθώς και αυτό του πυθμένα αντιστοιχούσε περίπου στο μέσο βάθος των αντίστοιχων κελιών του ADCP. Η χρονική περίοδος για την οποία εφαρμόσθηκε το ομοίωμα ήταν από 1/12/ /12/2007 με βήμα τριών ωρών (εικ. 2). Τα μετεωρολογικά δεδομένα εισαγωγής στο ομοίωμα αφορούσαν τον άνεμο, τον υετό, τη νεφοκάλυψη, την ατμοσφαιρική πίεση, την ατμοσφαιρική θερμοκρασία και την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία. Για τις παραπάνω παραμέτρους χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα προερχόμενα από τον ιστότοπο του ΝΟΑΑ. Το επίπεδο αναφοράς για τον άνεμο ήταν σε ύψος των 10 m από τη μέση στάθμη της επιφάνειας της θάλασσας. Τα δεδομένα θερμοκρασίας και παροχής του ποταμού Νέστου προέρχονται από μετρήσεις που έγιναν στη περιοχή μελέτης κατά την ίδια χρονική περίοδο (Kamidis et al., 2011), ενώ η αλατότητα του εκρέοντος νερού θεωρήθηκε μηδενική. Η αλατότητα και η θερμοκρασία και για τα τρία όρια του πλέγματος προήλθαν από δεδομένα μετρήσεων που έγιναν στην ευρύτερη περιοχή κατά την ίδια χρονική περίοδο με τη χρήση μίας συσκευής CTD. Το ύψος της στάθμης της θάλασσας στα τρία ανοικτά όρια του πλέγματος προήλθε από προηγούμενη εφαρμογή του ELCOM για την ίδια χρονική περίοδο που αφορούσε στην προσομοίωση ρευμάτων στην ευρύτερη περιοχή του Βορείου Αιγαίου, συμπεριλαμβανομένης και της επίδρασης του στενού των Δαρδανελίων στην κυκλοφορία της περιοχής, με βήμα χρόνου 5 ωρών (Κόκκος Ν., μη δημοσιευμένα αποτελέσματα). 6

7 Εικ. 3: Διευθύνσεις ταχυτήτων ρεύματος επιφάνειας (μπλε διανύσματα) και ταχυτήτων ρεύματος πυθμένα (κόκκινα διανύσματα) όπως προέκυψαν από τα αποτελέσματα της εφαρμογής του μοντέλου ELCOM για τη χρονική στιγμή 15/12/ :00: ΤΟ ΚΥΜΑΤΙΚΟ ΟΜΟΙΩΜΑ SWAN Το κυματικό ομοίωμα SWAN (Simulating Waves Nearshore) είναι ένα μοντέλο τρίτης γενιάς για την προσομοίωση της διάδοσης των κυματισμών στον παράκτιο χώρο και στην ανοιχτή θάλασσα (Komen et al., 1994). Αναπτύχθηκε από το Delft University of Technology και διατίθεται ελεύθερα από το διαδίκτυο. Τα χαρακτηριστικά των κυματισμών περιγράφονται στο SWAN με την επίλυση σε δύο διαστάσεις της εξίσωση ισορροπίας της κυματικής δράσης (action balance equation, Hasselmann et al., 1973). Το πιο σημαντικό πρόβλημα που αντιμετωπίζει το SWAN κατά την επίλυση της εξίσωσης αυτής αφορά στην προσομοίωση του φαινομένου της περίθλασης, όπως προκύπτει από την ύπαρξη κατασκευών ή εμποδίων στην πορεία διάδοσης των κυματισμών (Enet et al., 2006). Κατά την εφαρμογή του ομοιώματος χρησιμοποιήθηκαν 3 ορθογωνικά πλέγματα σταδιακά αυξανόμενης διακριτότητας. Η χρονική περίοδος την οποία κάλυψε το ομοίωμα είναι από 8/12/ :40 έως 17/2/ :40 με χρονικό βήμα 3 ωρών. Τα αποτελέσματα της εφαρμογής του ομοιώματος στην ευρύτερη περιοχή (πρώτος κάνναβος) αποτέλεσαν τα δεδομένα εισαγωγής σε ό,τι αφορά τις οριακές συνθήκες για τα τρία όρια (πλευρές) του δευτέρου πλέγματος (nesting). Η εφαρμογή του ομοιώματος σε αυτό έδωσε αντίστοιχα τις οριακές συνθήκες του τρίτου μικρότερου πλέγματος με διαστάσεις κελιού μόλις 50 m (Εικ. 3). 7

8 Εικ. 4: Τυπικά παραγόμενα αποτελέσματα κατά την εφαρμογή του μοντέλου SWAN στα τρία διασυνδεδεμένα πλέγματα του Θρακικού Πελάγους. Το ομοίωμα εφαρμόσθηκε με δύο τρόπους: Στην πρώτη περίπτωση, τα νησιά στην περιοχή θεωρήθηκαν ως πεδία μηδενικής βαθυμετρίας, ενώ στη δεύτερη περίπτωση η παρουσία ενός νησιού ή προέκτασης της ξηράς αντιμετωπίστηκε από το μοντέλο σαν εμπόδιο στην πορεία διάδοσης των κυματισμών, με μηδενικό συντελεστή μετάδοσης και μηδενικό συντελεστή ανάκλασης. Ο συντελεστής ανάκλασης για την περίπτωση κατασκευών (κυματοθραύστες κ.λπ.) παίρνει τιμές μεταξύ 0,5 και 0,9 (Coastal Engineering Manual - Part II). Στη συγκεκριμένη περίπτωση επιλέχθηκε ως μηδενικός λόγω των μεγάλων διαστάσεων των εμποδίων (νησιών) καθώς στις δοκιμαστικές εφαρμογές του μοντέλου, τιμές μεγαλύτερες του 0,1 έδιναν λανθασμένα αποτελέσματα σε ό,τι αφορούσε τη διάδοση της κυματικής ενέργειας στο χώρο. Στη συνέχεια και για τις δύο περιπτώσεις έγινε διαχωρισμός των αποτελεσμάτων σύμφωνα με τη γωνία εισόδου του κύματος στην περιοχή του Άθω σε δύο κατηγορίες: α) (κύμα βόρειας διεύθυνσης διάδοσης, δηλ. εισερχόμενο στο υπολογιστικό πλέγμα), και β) (κύμα νότιας διεύθυνσης διάδοσης, δηλ. εξερχόμενο από το υπολογιστικό πλέγμα), σε σύστημα αξόνων με φορά αντίωρολογιακή και αρχή στον άξονα x. Στην κάθε μία από τις παραπάνω περιπτώσεις το ομοίωμα «έτρεξε» με στατικό (stationary) και μη-στατικό (non-stationary) τρόπο. Τα αποτελέσματα από την εφαρμογή του ELCOM προσαρμόσθηκαν στις ανάγκες του ομοιώματος SWAN και εισήχθησαν σε αυτό ώστε να διερευνηθεί η επίδραση της υδροδυναμικής κυκλοφορίας στη δομή του κυματικού πεδίου της περιοχής. 8

9 Για τη σύγκριση των αποτελεσμάτων από τις διάφορες εφαρμογές του ομοιώματος SWAN σε σχέση με τις μετρήσεις του ADCP υπολογίστηκε ο συντελεστής προσδιορισμού R 2 (coefficient of determination) για το σημαντικό ύψος κύματος και την περίοδο (Πίν. 2). Πίνακας 2 : Αποτελέσματα της σύγκρισης των διαφόρων μεθοδολογιών εφαρμογής του μοντέλου SWAN σε σχέση με τις μετρήσεις πεδίου όπως κατεγράφησαν από το ADCP του σταθμού «ΤΡΙΤΩΝ» για το σημαντικό ύψος κύματος και την περίοδο των κυματισμών. Η σύγκριση γίνεται βάσει του υπολογισμού του συντελεστή R 2 όπως προκύπτει από την εφαρμογή της γραμμικής παλινδρόμησης μεταξύ των αποτελεσμάτων του μοντέλου και των μετρήσεων του ADCP με χρονική καθυστέρηση και χωρίς. Γραμμική παλινδρόμηση R 2 SWAN Hsig ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΝΗΣΙΩΝ ΩΣ SWAN Tp ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΝΗΣΙΩΝ ΩΣ SWAN Hsig ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΝΗΣΙΩΝ ΩΣ SWAN Tp ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΝΗΣΙΩΝ ΩΣ SWAN Hsig SWAN Tp SWAN Hsig SWAN Tp SWAN Hsig h ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΝΗΣΙΩΝ ΩΣ SWAN Tp h ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΝΗΣΙΩΝ ΩΣ SWAN Hsig h ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΝΗΣΙΩΝ ΩΣ SWAN Tp h ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΝΗΣΙΩΝ ΩΣ SWAN Hsig h SWAN Tp h SWAN Hsig h SWAN Tp h SWAN+ELCOM Hsig h ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΝΗΣΙΩΝ ΩΣ SWAN+ELCOM Tp h ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΝΗΣΙΩΝ ΩΣ SWAN+ELCOM Hsig h ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΝΗΣΙΩΝ ΩΣ SWAN+ELCOM Tp h ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΝΗΣΙΩΝ ΩΣ Στη συνέχεια για τη σύγκριση και μεταξύ των διαφορετικών εφαρμογών του ομοιώματος υπολογίσθηκε το μέσο τετραγωνικό σφάλμα RMSE (root-mean square error), ο δείκτης συμφωνίας d ή IA (Index of Agreement), ο δείκτης απόδοσης SI (scatter index), το bias και τέλος το συστηματικό MSEg και μη συστηματικό σφάλμα MSEu, με βάση τους τύπους που προτείνονται από τον Willmott et al. (1981). Για τη διεύθυνση διάδοσης υπολογίσθηκαν οι απόλυτες τιμές των διαφορών μεταξύ των αποτελεσμάτων του μοντέλου και τον αντίστοιχων χρονικά μετρήσεων και έγινε στατιστική επεξεργασία αυτών. 5. Συζήτηση και Συμπεράσματα Όπως προκύπτει από τα παραπάνω, τα κυματικά φαινόμενα στην περιοχή των εκβολών του π. Νέστου έχουν κατά ένα μεγάλο ποσοστό τοπικό χαρακτήρα και επηρεάζονται ιδιαίτερα από τη μορφολογία της περιοχής λόγω της παρουσίας ακριβώς νότια της Ν. Θάσος. Τα μεγαλύτερα ύψη κύματος και περίοδοι προέρχονται από την ανατολική μέχρι και νότιο-ανατολική διεύθυνση, σε αντιστοιχία με τα μεγαλύτερα μήκη των ενεργών αναπτυγμάτων της περιοχής. Η εφαρμογή του κυματικού ομοιώματος SWAN στη συγκεκριμένη περιοχή φαίνεται να δίνει καλύτερα αποτελέσματα όταν κατά τη διαμόρφωσή του η παρουσία της ξηράς αντιμετωπίζεται ως εμπόδιο, ειδικά κατά την είσοδο στο υπολογιστικό πλέγμα των κυματισμών, ενώ συμβαίνει το αντίθετο για κυματισμούς που εξέρχονται. Για κύματα εισερχόμενα στο υπολογιστικό πλέγμα, τα RMSE και Mean BIAS είναι γενικά πιο υψηλά ασχέτως μεθόδου σε σύγκριση με τα εξερχόμενα κύματα. Σε 9

10 ότι αφορά στη διεύθυνση διάδοσης, τα αποτελέσματα όπως προκύπτουν και από τη στατιστική επεξεργασία δείχνουν ότι σε γενικές γραμμές η απόδοση του SWAN, ασχέτως μεθοδολογίας εφαρμογής του, είναι πολύ χαμηλή. Όπως προκύπτει από τα αποτελέσματα της εφαρμογή του SWAN σε συνδυασμό με το ELCOM η απόδοση του ομοιώματος δε φαίνεται να επηρεάζεται ιδιαίτερα. Σε ό,τι αφορά στη διεύθυνση διάδοσης, συγκρίνοντας τα αποτελέσματα της στατιστικής επεξεργασίας στο σύνολό τους δεν προκύπτουν μεγάλες αποκλίσεις στην ακρίβεια ενώ φαίνεται να υπάρχει μια κάποια βελτίωση κατά την εφαρμογή του SWAN σε συνδυασμό με το ELCOM. Στην παρούσα εφαρμογή το ομοίωμα SWAN τείνει να υποεκτιμά το σημαντικό ύψος κύματος και την περίοδο, ασχέτως μεθόδου που εφαρμόσθηκε. Αυτό το γεγονός σε ό,τι αφορά το σημαντικό ύψος κύματος (Ηsig), δε φαίνεται να οφείλεται σε συστηματικό λάθος, αλλά κυρίως στην ύπαρξη πολλών και μεγάλου μεγέθους νησιών στην περιοχή, τα οποία αυξάνουν σημαντικά τις απώλειες κυματικής ενέργειας λόγω της επίδρασης της ρήχωσης (Battjes & Janssen, 1978). Η κυκλοφορία της περιοχής επηρεάζεται επίσης από τα ανεμολογικά χαρακτηριστικά, την εκροή από του π. Νέστου και από τη μορφολογία των ακτών και του βυθού. Οι μέγιστες ταχύτητες των ρευμάτων πυθμένα εμφανίζονται στις παράκτιες περιοχές που χαρακτηρίζονται από απότομες μεταβολές της βαθυμετρίας, όπως η βόρεια ακτογραμμή της Θάσου και οι αποθέσεις δυτικά της Κεραμωτής. Τα επιφανειακά ρεύματα εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τις ταχύτητες ανέμου και την εκροή από τον Νέστο, ενώ οι διαφορές της ελεύθερης στάθμης μεταξύ ανατολικού και δυτικού ορίου επηρεάζουν κυρίως τη κυκλοφορία σε βαθύτερα στρώματα. Το παλιρροιακό ρεύμα παρουσιάζει χαμηλές ταχύτητες με μέγιστα τα 0.5 m/s σταθερά σε όλη τη διάρκεια της περιόδου μελέτης με μία πολύ μικρή αύξηση κατά τους χειμερινούς μήνες. Το υπολειπόμενο ρεύμα είναι έντονο, κυρίως στο άξονα ανατολή-δύση, με τιμές πολύ μεγαλύτερες ποσοστιαία του παλιρροιακού κατά τους χειμερινούς μήνες. Οι ταχύτητες που λαμβάνει επηρεάζονται από τις αντίστοιχες ταχύτητες του ανέμου στον ίδιο άξονα ενώ ένα μέρος του οφείλεται στο εισερχόμενο από τα ανατολικά ρεύμα από το Θρακικό Πέλαγος. Η υδροδυναμική κυκλοφορία στην περιοχή γίνεται κατά κύριο λόγω από ανατολικά προς δυτικά. Το ομοίωμα ELCOM τείνει να υποεκτιμά την ταχύτητα των ρευμάτων όπως εφαρμόσθηκε στην παρούσα μελέτη. Οι διευθύνσεις, ωστόσο, που προκύπτουν από την προσομοίωση έχουν μικρές αποκλίσεις σε σχέση με αυτές που προέρχονται από τις απευθείας μετρήσεις. Το πιο πιθανό είναι η υποεκτίμηση αυτή να οφείλεται στο ότι το ομοίωμα δεν λαμβάνει υπόψη την επίδραση των μη υδροστατικών όρων πίεσης, οι οποίοι σε παράκτια περιοχή πολύπλοκης βαθυμετρίας όπως η περιοχή μελέτης είναι δυνατόν να είναι ιδιαίτερα σημαντικοί (Tseng et al., 2005). 6. Ευχαριστίες H παρούσα έρευνα έχει συγχρηματοδοτηθεί από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο - ΕΚΤ) και από Εθνικούς πόρους μέσω του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» του Εθνικού Στρατηγικού Πλαισίου Αναφοράς (ΕΣΠΑ) Ερευνητικό Χρηματοδοτούμενο Έργο: «Ηράκλειτος ΙΙ - Επένδυση στην κοινωνία της γνώσης μέσω του Ευρωπαϊκού Κοινωνικού Ταμείου». 7. Βιβλιογραφικές Αναφορές 10

11 Battjes, J.A. & Janssen, J.P.F.M., Energy loss and set-up due to breaking of random waves. Proc. 16th Int. Conf. Coastal Engineering, ASCE, 1: Boon, J.D., World Currents User Manual, pp 6-11 Boon, J.D., World Tides User Manual, pp 4-6 Brochier, F. & Ramieri, E., Climate Change Impacts on the Mediterranean Coastal Zones, Publisher:Fondazione Eni Enrico Mattei, Nota di Lavoro, 13 pp. USACE, 2002, Coastal Engineering Manual -Part II Chapter 7, United States Army Corps of Engineers, p II Defant, A., 1958, Ebb and Flow; The Tides of the Earth, Air, and Water, University of Michigan Press, Ann Arbor, Michigan. 121 pp. Enet, F., Nahon, A., van Vledder, G. & Hurdle, D., Evaluation of Diffraction behind a semi-infinite Breakwater in the SWAN Wave Model. Proceedings of 9th International Symposium on Ocean Wave Measurement and Analysis WAVES, pp EUROSION, Living with Coastal Erosion in Europe: Sediment and space for sustainability, Report Part 2, Maps and Statistics, 25 p. Hasselmann, K., T.P. Barnett, E. Bouws, H. Carlson, D.E. Cartwright, K. Enke, J.A. Ewing, H. Gienapp, D.E. Hasselmann, P. Kruseman, A. Meerburg, P. Müller, D.J. Olbers, K. Richter, W. Sell & H. Walden, 1973: Measurements of windwave growth and swell decay during the Joint North Sea Wave Project (JONSWAP), Deutsche Hydrographische Zeitschrift. Suppl., 12, A8. Hodges, B. & Dallimore, C., Estuary, Lake and Coastal Ocean Model: ELCOM v2.2 Science Manual, Technical Report, Centre for Water Research, University of Western Australia, 62 p. Kamidis, N., Sylaios, G. & Tsihrintzis, V.A., Modeling the Nestos River plume dynamics using ELCOM. Desalination and Water Treatment, doi: /dwt Komen, G.J., Cavaleri, L., Donelan, M., Hasselmann, K. Hasselmann, S. & Janssen, P.A.E.M., Dynamics and modelling of Ocean Waves, Cambridge University Press, NY., p Tseng, Y-H., Dietrich, D.E. & Ferziger, J.H., Regional circulation of the Monterey Bay region: Hydrostatic versus non hydrostatic modeling. Journal of Geophysical Research, 110, C09015, doi: /2003jc Willmott, C., Ackleson, S., Davis, R., Feddema, J., Klink, K., Legates, D., O'Donnell, J. & Rowe, C., Statistics for the evaluation and comparison of models. Journal of Geophysical Research, 90(C5): Xeidakis, G., Georgoulas, A., Kotsovinos, N., Delimani, P. & Varaggouli, E., Environmental degradation of the coastal zone of the west part of Nestos river delta, N. Greece. Bulletin of the Geological Society of Greece, Proceedings of the 12th Internatinal Congress, Patras. 11