ΕΠΑΝΑΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΛΙΜΕΝΑ ΠΑΡΑΛΙΑΣ ΚΑΤΕΡΙΝΗΣ ΜΕ ΣΤΟΧΟ ΤΗΝ ΕΛΑΧΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΔΙΑΒΡΩΤΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ

Transcript

1 AΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΚΑΙ ΒΙΩΣΙΜΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΕΠΑΝΑΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΛΙΜΕΝΑ ΠΑΡΑΛΙΑΣ ΚΑΤΕΡΙΝΗΣ ΜΕ ΣΤΟΧΟ ΤΗΝ ΕΛΑΧΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ ΔΙΑΒΡΩΤΙΚΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ ΓΙΩΡΓΟΣ ΜΠΑΚΟΣ Διπλ. Πολιτικός Μηχανικός Θεσσαλονίκη, Νοέμβριος 2017

2 Περίληψη Η διπλωματική μου εργασία έχει ως αντικείμενο την εξεύρεση μιας περιβαλλοντικά φιλικής και βιώσιμης λύσης που θα αντιμετωπίσει το χρόνιο πρόβλημα της διάβρωσης της ακτογραμμής της Παραλίας Κατερίνης. Ένα πρόβλημα που δημιουργήθηκε στις αρχές της δεκαετίας του 1980 με την κατασκευή του αλιευτικού καταφυγίου και δεν έχει επιλυθεί μέχρι σήμερα, παρά τις επεμβάσεις που πραγματοποιήθηκαν επί σειρά ετών. Η προτεινόμενη λύση αφορά την καθαίρεση του υπάρχοντος αλιευτικού καταφυγίου και την κατασκευή μιας προβλήτας σε μεγαλύτερο βάθος, η οποία θα συνδέεται με την ακτή με γέφυρα. Χρησιμοποιήθηκαν μαθηματικά, υδροδυναμικά και μορφοδυναμικά μοντέλα προσομοίωσης των διεργασιών που λαμβάνουν χώρα στην παράκτια ζώνη με στόχο να διερευνηθεί η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης λύσης. Αρχικά χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο κυματογενούς κυκλοφορίας WICIR (Wave Induced CIRculation), το οποίο πραγματοποιεί προσομοίωση των παράκτιων κυματογενών ρευμάτων που δημιουργούνται λόγω απώλειας της ενέργειας των κυματισμών, κυρίως λόγω της θραύσης τους, σε συνδυασμό με την επίδραση των φαινομένων της διάθλασης και της περίθλασης. Στη συνέχεια χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο στερεομεταφοράς και εξέλιξης μορφολογίας πυθμένα SEDTR (SEDiment TRansport). Η εφαρμογή των παραπάνω μοντέλων χρησιμοποιήθηκε στο πλαίσιο της προτεινόμενης λύσης με στόχο να εξαχθούν συμπεράσματα σχετικά με την αποτελεσματικότητά της ως προς την προστασίας της ακτογραμμής της Παραλίας Κατερίνης από διάβρωση. i

3 Abstract My master thesis aims at determining an environmentally friendly and sustainable solution that will address the chronic problem of the erosion of the shoreline in the locality of Paralia Katerini, Greece. This problem was created in the early 1980s with the construction of a fishing shelter and has not been resolved to date, despite the interventions that have taken place over the years. The proposed solution suggests the demolition of the existing fishing shelter and the construction of a wharf located far from the coastline which will be then connected by a bridge. Mathematical, hydrodynamic and morphodynamic simulation models of the processes taking place in the coastal zone were used to investigate the effectiveness of the proposed solution. Initially, WICIR (Wave Induced CIRculation) was used to simulate coastal wave currents, generated due to loss of waves energy, mainly due to their fracture, combined with the effects of refraction and diffraction. Finally, the SEDTR (SEDiment TRansport) model was used, which illustrates the long term two dimensional changes in the morphology of the seabed and the shoreline caused by natural and anthropogenical phenomena. The implementation of the above models was used to draw conclusions on its effectiveness in protecting the coastline of Paralia Katerini from erosion. ii

4 Πρόλογος Ο λόγος που επέλεξα να εκπονήσω τη συγκεκριμένη διπλωματική εργασία συνίσταται σε δύο βασικούς παράγοντες. Αφενός έχω μεγάλο επιστημονικό ενδιαφέρον για τη γνωστική περιοχή, στην οποία η παρούσα διπλωματική εργασία ανήκει και αφετέρου μιας και κατάγομαι από την πόλη της Κατερίνης με ενδιέφερε να επιλέξω ένα θέμα το οποίο θα μπορούσε να έχει άμεση εφαρμογή στον τόπο από τον οποίο κατάγομαι και να επιλύσει ένα σημαντικό πρόβλημα που χρονίζει. Είναι αλήθεια ότι η διάβρωση της ακτογραμμής της Παραλίας Κατερίνης θεωρείται πλέον «άλυτο» πρόβλημα για τους κατοίκους της περιοχής αλλά και του νομού Πιερίας γενικότερα. Ένα πρόβλημα το οποίο θίγει τόσο την περιουσία των κατοίκων (κίνδυνος για τις κατασκευές που βρίσκονται κοντά στη θάλασσα) αλλά έχει επηρεάσει σημαντικά και την τουριστική δραστηριότητα της περιοχής. Επιλέγοντας το θέμα της διπλωματικής αυτής εργασίας έθεσα ως στόχο την πρόταση μιας λύσης, η οποία θα δώσει οριστικό τέλος στο πρόβλημα της διάβρωσης της ακτής και θα επιτρέψει μελλοντικά την περεταίρω τουριστική και όχι μόνο ανάπτυξη της εν λόγω περιοχής. Στο σημείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή μου κύριο Καραμπά Θεοφάνη για την άριστη συνεργασία που είχαμε, καθώς και για την πολύτιμη συμβολή του κατά την εκπόνηση της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Να ευχαριστήσω επίσης θερμά τα μέλη της εξεταστικής επιτροπής, κ. Λουκογεωργάκη Ε. και κ. Κρεστενίτη Ι. iii

5 Περιεχόμενα Περίληψη... i Abstract... ii Πρόλογος... iii Περιεχόμενα... iv Πίνακας εικόνων... vi Κεφάλαιο Περιγραφή περιοχής μελέτης Γενικά Υποδομή Ιστορικά στοιχεία Γεωγραφικά στοιχεία Σεισμικά χαρακτηριστικά Στοιχεία ανέμου Παλίρροια... 5 Κεφάλαιο Αλληλεπίδραση ακτών και λιμενικών έργων Προστασία ακτών από διάβρωση Έργα και μέθοδοι προστασίας ακτών Βραχίονες Κυματοθραύστες παράλληλοι ως προς την ακτή Έξαλοι κυματοθραύστες Χαμηλής στέψης ύφαλοι κυματοθραύστες Πυθμενικοί τεχνητοί ύφαλοι Πλωτοί κυματοθραύστες Παράκτιοι τοίχοι Τεχνητή αναπλήρωση ακτών Κεφάλαιο Εξέλιξη ακτογραμμής της Παραλίας Κατερίνης Παράκτια μεταφορά άμμου Κατασκευή αλιευτικού καταφυγίου επιπτώσεις Κατασκευή προσαμμωτικών προβόλων Κατασκευή βυθισμένων κυματοθραυστών Κεφάλαιο Παρουσίαση μοντέλων που χρησιμοποιήθηκαν Μοντέλο μετάδοσης κυματισμών WAVE_L iv

6 4.2 Μοντέλο κυματογενούς κυκλοφορίας WICIR (Wave Induced CIRculation) Μοντέλο στερεομεταφοράς και μακροχρόνιας εξέλιξης μορφολογίας πυθμένα SEDTR (SEDiment Transport) Κεφάλαιο Εφαρμογές λογισμικού Εισαγωγή Πρόγραμμα Harrbour.exe Αρχείο elev.dat Αρχείο height.dat Αρχείο bottom.dat Αρχείο sect.dat Αρχείο sxxyy.dat Αρχείο thita.dat Αρχείο sect_h.dat Wave_Cir.exe Αρχείο vel.dat Αρχείο setup.dat Αρχείο sect_u.dat SedTr.exe Αρχείο q2d.dat Αρχείο newbed.dat Κεφάλαιο Εφαρμογή στην Παραλία Κατερίνης Ανατολικός άνεμος (East) Βορειοανατολικός άνεμος (NorthEast) Νοτιοανατολικός άνεμος (SouthEast) Μακροχρόνια εξέλιξη μορφολογίας πυθμένα Σχολιασμός αποτελεσμάτων Κεφάλαιο Συμπεράσματα Βιβλιογραφία v

7 Πίνακας εικόνων Εικόνα 1. 1 Χάρτης Παραλίας Κατερίνης (Google maps)... 1 Εικόνα 1. 2 Χάρτης νομού Πιερίας (Google maps)... 3 Εικόνα 1. 3 Χάρτης ζωνών σεισμικής δραστηριότητας (Πηγή ΤΕΕ)... 4 Εικόνα 1. 4 Ανεμολογικά στοιχεία σύμφωνα με το σταθμό ΕΜΥ στο Φάρο του Μεγάλου Εμβόλου... 5 Εικόνα 2. 1 Βραχίονες - λειτουργία... 7 Εικόνα 2. 2 Σύστημα βραχιόνων - λειτουργία... 8 Εικόνα 2. 3 Παράλληλοι κυματοθραύστες (tombolo)... 9 Εικόνα 2. 4 Λειτουργία κυματοθραυστών - δημιουργία προεξοχής Εικόνα 2. 5 Τυπική διατομή έξαλου κυματοθραύστη Εικόνα 2. 6 Τυπική διατομή βυθισμένου κυματοθραύστη Εικόνα 2. 7 Πυθμενικοί τεχνητοί ύφαλοι Εικόνα 2. 8 Πλωτοί κυματοθραύστες Εικόνα 2. 9 Παράκτιος τοίχος σε ακτή Εικόνα Διατομή τεχνητής αναπλήρωσης Εικόνα 3. 1 Αλιευτικό καταφύγιο Παραλίας Κατερίνης Εικόνα 3. 2 Πρόσχωση νότια του αλιευτικού καταφυγίου Εικόνα 3. 3 Διάβρωση βόρεια του αλιευτικού καταφυγίου Εικόνα 3. 4 Αεροφωτογραφία του έτους 1960, στην οποία φαίνεται η κατάσταση της ακτογραμμής το έτος 1997, με την μπλε γραμμή Εικόνα 3. 5 Κυματοθραύστες σύμφωνα με τη μελέτη του Εικόνα 3. 6 Κυματοθραύστες όπως τελικά κατασκευάστηκαν Εικόνα 3. 7 Τωρινή κατάσταση Παραλίας Κατερίνης (Πηγή Google Earth) Εικόνα 4. 1 Διακριτοποίηση των μεταβλητών Εικόνα 4. 2 Φορτίο πυθμένα (qb) Εικόνα 4. 3 Φορτίο σε αιώρηση (qs) Εικόνα 4. 4 Μεταβολή στάθμης πυθμένα Εικόνα 5. 1 Παραγόμενο αρχείο elev.dat Εικόνα 5. 2 Παραγόμενο αρχείο height.dat Εικόνα 5. 3 Παραγόμενο αρχείο bottom.dat Εικόνα 5. 4 Παραγόμενο αρχείο sect.dat Εικόνα 5. 5 Παραγόμενο αρχείο sxxyy.dat Εικόνα 5. 6 Παραγόμενο αρχείο thita.dat Εικόνα 5. 7 Παραγόμενο αρχείο sect_h.dat Εικόνα 5. 8 Παραγόμενο αρχείο vel.dat Εικόνα 5. 9 Παραγόμενο αρχείο setup.dat Εικόνα Παραγόμενο αρχείο sect_u.dat Εικόνα Παραγόμενο αρχείο q2d.dat Εικόνα Παραγόμενο αρχείο newbed.dat Εικόνα 6. 1 Θέση έργου και αρχική βυθομετρία Εικόνα 6. 2 Ύψος κύματος για ανατολικό άνεμο vi

8 Εικόνα 6. 3 Κυματογενής κυκλοφορία για ανατολικό άνεμο Εικόνα 6. 4 Ύψος κύματος για βορειοανατολικό άνεμο Εικόνα 6. 5 Κυματογενής κυκλοφορία για βορειοανατολικό άνεμο Εικόνα 6. 6 Ύψος κύματος για νοτιοανατολικό άνεμο Εικόνα 6. 7 Κυματογενής κυκλοφορία για νοτιοανατολικό άνεμο Εικόνα 6. 8 Εξέλιξη μορφολογίας πυθμένα (αρχική με μαύρο χρώμα, εξέλιξη με κόκκινο).. 61 vii

9 Κεφάλαιο 1 Περιγραφή περιοχής μελέτης 1.1 Γενικά Η περιοχή μελέτης είναι η Παραλία Κατερίνης, η οποία ανήκει στο Νομό Πιερίας. Πρόκειται για ένα παράλιο χωριό του Δήμου Κατερίνης και αποτελεί έδρα της ομώνυμης Τοπικής Κοινότητας του Δήμου. Ανήκει σε περιοχή με εύφορα σχετικά εδάφη και βρίσκεται κοντά στις ακτές του Θερμαϊκού Κόλπου. Η απόσταση της Παραλίας από την Κατερίνη, την πρωτεύουσα του Νομού είναι περίπου 8 χιλιόμετρα. Το Δημοτικό Διαμέρισμα της Παραλίας Κατερίνης διαθέτει ένα οικισμό με κατοίκους Εικόνα 1. 1 Χάρτης Παραλίας Κατερίνης (Google maps) 1

10 1.2 Υποδομή Η Παραλία Κατερίνης λόγω της ιδιαίτερης θέσης της αναπτύχθηκε σε σημαντικό τουριστικό κέντρο και διαθέτει μεγάλο αριθμό ξενοδοχείων, κέντρων διασκέδασης, καταστημάτων εστίασης, εμπορικά μαγαζιά κτλ. Λόγοι που συντέλεσαν στη μεγάλη τουριστικής της ανάπτυξη αποτελούν η εξαιρετικά εκτεταμένη αμμουδιά της σε συνδυασμό με την εύκολη πρόσβαση σε αυτή λόγω γειτνίασης με τον κύριο οδικό και σιδηροδρομικό άξονα της χώρας. Το χωριό διαθέτει μονοθέσιο Νηπιαγωγείο, εξαθέσιο Δημοτικό Σχολείο, Πολιτιστικό Σύλλογο, καθώς και Ιατρείο. Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1980 δημιουργήθηκε αλιευτικό καταφύγιο, το οποίο όμως δημιούργησε αρκετά προβλήματα στην περιοχή, όπως θα αναλυθεί εκτενώς παρακάτω. Όσον αφορά το κομμάτι του αθλητισμού, η Παραλία Κατερίνης διαθέτει δύο αθλητικά σωματεία: Τον Αθλητικό Όμιλο Παραλίας και τον Παραλιακό Αθλητικό Όμιλο. Στην Παραλία Κατερίνης υπάρχει Ναυτικός Όμιλος, ο οποίος οργανώνει θαλάσσιες αθλητικές δραστηριότητες, όπως ιστιοπλοΐα, καγιάκ, κανό, κωπηλασία. 1.3 Ιστορικά στοιχεία Η Παραλία Κατερίνης ιδρύθηκε το 1922 από ψαράδες. Οι πρώτοι κάτοικοι ήταν πρόσφυγες προερχόμενοι από την Κίο της Μικράς Ασίας. Αρχικά εγκαταστάθηκαν στη Θεσσαλονίκη, αλλά ορισμένοι από αυτούς μετεγκαταστάθηκαν στη Δαβλία. Εκεί έζησαν για κάποιο διάστημα αλλά στη συνέχεια μετακινήθηκαν ξανά. Αυτοί που μετακινήθηκαν βόρεια έφθασαν στην περιοχή της Παραλίας Κατερίνης όπου και εκγαταστάθηκαν μόνιμα. Μέχρι και το 1950 το χωριό ήταν γνωστό με το όνομα Σκάλα Βρωμερής. «Σκάλα» σημαίνει αποβάθρα. Η Κοινότητα Παραλίας ιδρύθηκε το 1957 και αναγνωρίστηκε το Ως Δήμος Παραλίας λειτούργησε με το Νόμο Καποδίστρια μέχρι τη 31η Δεκεμβρίου του Σήμερα ανήκει διοικητικά στο Δήμο Κατερίνης (Πρόγραμμα Καλλικράτη). 2

11 1.4 Γεωγραφικά στοιχεία Εικόνα 1. 2 Χάρτης νομού Πιερίας (Google maps) Ο νομός ορίζεται ανατολικά από το Θερμαϊκό κόλπο, ενώ στα δυτικά βρίσκονται ο Όλυμπς και τα Πιέρια όρη. Στο νότιο τμήμα του νομού βρίσκεται ο ποταμός Πηνειός. Το δυτικό, καθώς και το νότιο τμήμα του έχουν ιδιαίτερα έντονο ανάγλυφο, ενώ το παραλιακό αποτελεί μια αρκετά μεγάλης έκτασης πεδιάδα, η οποία καλύπτει το 40% περίπου του εδάφους του νομού. Η παραλία του νομού είναι ιδιαίτερα εκτεταμένη σε μήκος (ξεπερνάει τα 100km) και δε διαθέτει φυσικά λιμάνια. Οι κύριες παραλίες του νομού Πιερίας είναι η Παραλία Κατερίνης, των Νέων Πόρων, της Πλάκας Λιτοχώρου, της Μεθώνης, του Πλαταμώνα, της Σκοτίνας και της Ολυμπιακής ακτής. Η παραλία Κατερίνης είναι πεδινή και με υψόμετρα από 1 έως 3 μέτρα από τη στάθμη της θάλασσας και καταλήγουν σε μικρά αλλά και μεγαλύτερα ρεύματα. Υπάρχουν αρκετά μικρά ποτάμια στο νομό τα οποία ξεκινούν από τον Όλυμπο και τα Πιέρια όρη με κατεύθυνση προς τα ανατολικά του νομού. Στα βορειοανατολικά του συναντάται ο Αλιάκομονας, ενώ μικρότεροι ποταμοί είναι ο Βαφύρας, ο Ελκών, ο Μίτυς, ο Λεύκος και ο Απίλας. Άλλα ποτάμια είναι επίσης η Ζηλιάνα, η Παλιορουμάνα, ο Ενιπέας, ο Γερακάρης και η Τοπινίτσα. 3

12 1.5 Σεισμικά χαρακτηριστικά Εικόνα 1. 3 Χάρτης ζωνών σεισμικής δραστηριότητας (Πηγή ΤΕΕ) Ο νομός Πιερίας δεν παρουσιάζει ιδιαίτερη σεισμική δραστηριότητα. Σύμφωνα με το νέο Χάρτη Σεισμικής Επικινδυνότητας ο ελληνικός χώρος κατανέμεται σε τρεις σεισμικές ζώνες με βάση τις τιμές εδαφικών επιταχύνσεων σχεδιασμού. Ο νομός Πιερίας ανήκει στη Ζώνη Ι (εδαφική επιτάχυνση 0,16g). 1.6 Στοιχεία ανέμου Τα ανεμολογικά στοιχεία προκύπτουν από δεδομένα του πλησιέστερου σταθμού της ΕΜΥ, ο οποίος βρίσκεται στο Φάρο του Μεγάλου Εμβόλου και μπορεί να θεωρηθεί αντιπροσωπευτικός για την Παραλία της Κατερίνης. Τα στοιχεία αυτά αποτελούν παρατηρήσεις μεγάλης χρονικής διάρκειας ( ) και αναφέρονται τόσο στην κατεύθυνση, όσο και την ένταση των ανέμων. Παρουσιάζονται παρακάτω: 4

13 Εικόνα 1. 4 Ανεμολογικά στοιχεία σύμφωνα με το σταθμό ΕΜΥ στο Φάρο του Μεγάλου Εμβόλου 1.7 Παλίρροια Σύμφωνα με στοιχεία του πλησιέστερου παλιρροιογράφου της Θεσσαλονίκης η παλίρροια είναι μικρή, όπως άλλωστε και σε ολόκληρο το Αιγαίο αλλά και τη Μεσόγειο. Συγκεκριμένα: μέσο πλάτος παλίρροιας 0,22 μ μέγιστη πλήμμη 0,67 μ πάνω από τη μέση στάθμη κατώτερη ρηχία 0,80 μ κάτω από τη μέση στάθμη μέση πλήμμη 0,11 μ πάνω από τη μέση στάθμη μέση ρηχία 0,11 μ κάτω από τη μέση στάθμη 5

14 Κεφάλαιο 2 Αλληλεπίδραση ακτών και λιμενικών έργων Προστασία ακτών από διάβρωση Η συνήθης πρακτική αποτελεί την κατασκευή λιμενικών έργων στην πλέον δραστήρια περιοχή του παράκτιου χώρου, εντός της ζώνης θραύσης των κυμάτων. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τα λιμενικά έργα αυτά να εμποδίζουν την κυματογενή κυκλοφορία, την παράκτια μεταφορά άμμου και να μεταβάλλουν το ισορροπημένο ισοζύγιο φερτών υλών. Πολλές φορές λοιπόν τα λιμενικά έργα λειτουργούν ως παγίδες φερτών υλικών, ενώ αντίστοιχα προκαλείται έντονη διάβρωση στην κατάντη υπήνεμη πλευρά. Η αντιμετώπιση των συνεπειών της διάβρωσης των ακτών από την κατασκευή ενός λιμενικού έργου μπορεί να γίνει με τη λήψη τεχνικών μέτρων που στοχεύουν στην προστασία ακτών από διάβρωση ανεξάρτητα από την αιτία που προκαλεί τη διάβρωση αυτή. Τέτοιου είδους μέτρα είναι: a. Παράκαμψη του λιμένα και μεταφορά αμμώδους υλικού από τα ανάντη στα κατάντη. Η μεταφορά αυτή του υλικού μπορεί να γίνει είτε με χερσαία μέσα, είτε με υδραυλικές μεθόδους. Να μεταφέρεται δηλαδή μίγμα νερού και άμμου με τη βοήθεια αντλιών και αγωγών. b. Κατασκευή εγκάρσιων προβόλων, ή παράλληλων κυματοθραυστών από την ακτή. c. Περιοδικός τεχνητός εμπλουτισμός τμημάτων της ακτής με αμμώδες υλικό κατάλληλης κοκκομετρικής διαβάθμισης. Ένα πρόσθετο πρόβλημα που μπορεί να δημιουργηθεί είναι η είσοδος φερτών υλών από την είσοδο του λιμένα κατά τη διάρκεια κυματικών επεισοδίων. Το αμμώδες υλικό αυτό αποτίθεται στο χώρο της λιμενολεκάνης και μπορεί να μειώσει το βάθος της, καθιστώντας με τον τρόπο αυτό το λιμένα μη λειτουργικό. Απαιτείται λοιπόν αφαίρεση τμήματος της άμμου με βυθοκόρηση ώστε να επανέλθει ο πυθμένας στο αρχικό του βάθος. Προκύπτει λοιπόν ότι είναι ιδιαίτερα σημαντικός ο σωστός σχεδιασμός και η σωστή χωροθέτηση του λιμένα, έτσι ώστε να ελαχιστοποιείται η παγίδευση φερτών εντός της λιμενολεκάνης. 6

15 2.1 Έργα και μέθοδοι προστασίας ακτών Τα έργα προστασίας ακτών μπορούμε να τα διακρίνουμε σε τρεις κατηγορίες ανάλογα με τη μορφή αλλά και τη θέση τους ως προς τις ακτές: a. Εγκάρσια στην ακτή τεχνικά έργα σε επαφή με αυτή (βραχίονες) b. Παράλληλα στην ακτή και σε απόσταση από αυτή (κυματοθραύστες) c. Παράλληλα έργα επί της ακτής (παράκτιοι τοίχοι, έργα επένδυσης ακτών) d. Τεχνητή αναπλήρωση ακτής με αμμώδες υλικό Παρακάτω θα αναπτυχθούν συνοπτικά τα κυριότερα έργα προστασίας ακτών από διάβρωση: 2.2 Βραχίονες Πρόκειται για τεχνικά έργα που βρίσκονται σε επαφή με την ακτή και τοποθετούνται είτε κάθετα είτε υπό γωνία ως προς την ακτογραμμή. Η κατασκευή τους ενδείκνυται σε περιπτώσεις που παρατηρείται διάβρωση της ακτογραμμής ή επιθυμούμε να αυξήσουμε το πλάτος της ακτής. Συγκρατούν την παράκτια μεταφορά αμμώδους υλικού, η οποία απομακρύνεται από την ακτή και έτσι η ακτή σταθεροποιείται. Χρησιμοποιούνται επίσης και σε περιπτώσεις εκβολών ποταμών με στόχο τη διευθέτηση της ροής τους και την αποφυγή εναπόθεσης φερτών υλικών. Το υλικό κατασκευής τους, καθώς και η διατομή τους μπορεί να ποικίλλει. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε μια τυπική διατομή κυματοθραύστη από λιθορριπή, ξύλινοι πάσσαλοι, ογκόλιθοι κατασκευασμένοι από άοπλο σκυρόδεμα, σωλήνες γεωυφάσματος κτλ. Στις περιπτώσεις των ακτών κατασκευάζονται είτε ένας μεμονωμένος, είτε ένα σύστημα βραχιόνων. Στη συνέχεια πραγματοποιείται τεχνητή απόθεση αμμώδους υλικού στο εσωτερικό των ανοιγμάτων τους. Εικόνα 2. 1 Βραχίονες - λειτουργία 7

16 Εικόνα 2. 2 Σύστημα βραχιόνων - λειτουργία Πλεονεκτήματα της μεθόδου: Σταθεροποιούν την ακτή ανάμεσα στους βραχίονες, καθώς εμποδίζουν τη στερεομεταφορά κατά μήκος της ακτής Μειονεκτήματα της μεθόδου: Υποβάθμιση ποιότητας νερού ανάμεσα στους προβόλους, λόγω κακής ανανέωσής του. Προβλήματα θολερότητας, ευτροφισμού, έντονης δυσοσμίας. Διάβρωση στα ανοίγματα στην κατάντη κυρίως περιοχή Οπτική όχληση στο παράκτιο τοπίο Για την αντιμετώπιση του προβλήματος της κατάντη διάβρωσης μπορούμε να λάβουμε τα παρακάτω μέτρα: a. Εφαρμογή τεχνητής αναπλήρωσης με αμμώδες υλικό από άλλες περιοχές και εναπόθεσή της κατάντη b. Δυνατότητα να διαπερνά τμήμα της παράκτιας μεταφοράς άμμου το σύστημα των προβόλων που κατασκευάστηκαν c. Κατασκευή ειδικού συστήματος βραχιόνων στα κατάντη που το μήκος τους μειώνεται σταδιακά. 8

17 2.2 Κυματοθραύστες παράλληλοι ως προς την ακτή Είναι το πλέον σύνηθες μέτρο προστασίας των ακτών έναντι διάβρωσης. Οι κατασκευές αυτές δε βρίσκονται σε επαφή με την ακτογραμμή και η λειτουργία τους είναι να μειώνουν σημαντικά πίσω από αυτούς την κυματική δράση. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την προστασία της ακτής από τη διαβρωτική δράση. Επίσης λόγω του φαινομένου της περίθλασης παγιδεύουν αμμώδες υλικό στη σκιά των κυματοθραυστών και αυτό έχει ως αποτέλεσμα να δημιουργείται ελεγχόμενη προσάμμωση (tombolo). Το υλικό κατασκευής τους είναι συνήθως λιθορριπή αλλά και ογκόλιθοι άοπλου σκυροδέματος. Διακρίνονται στις ακόλουθες κατηγορίες: a. Έξαλοι κυματοθραύστες b. Χαμηλής στέψης / ύφαλοι κυματοθραύστες c. Πυθμενικοί τεχνητοί ύφαλοι d. Πλωτοί κυματοθραύστες Εικόνα 2. 3 Παράλληλοι κυματοθραύστες (tombolo) Συνήθως συναντάται η κατασκευή ενός μεμονωμένου κυματοθραύστη ή συστήματος κυματοθραυστών με απόσταση μεταξύ τους. Συχνά κατασκευάζονται κατάντη λιμενικών έργων έτσι ώστε να αποφευχθεί το πρόβλημα της διάβρωσης των ακτών. Συχνά μάλιστα η εφαρμογή της λύσης αυτής συνοδεύεται από τεχνητό εμπλουτισμό της ακτής με αμμώδες υλικό έτσι ώστε 9

18 να αυξηθεί το πλάτος της αλλά και να περιοριστεί η διάβρωση ανάμεσα στα ανοίγματα των κυματοθραυστών. Εικόνα 2. 4 Λειτουργία κυματοθραυστών - δημιουργία προεξοχής Τα βασικά μειονεκτήματα της εφαρμογής της μεθόδου των παράλληλων κυματοθραυστών είναι: Οπτική όχληση Παρεμπόδιση της ελεύθερης κυκλοφορίας των νερών που προκαλείται Έξαλοι κυματοθραύστες Πρόκειται για κυματοθραύστες που το ύψος στέψης τους είναι πάνω από τη μέση στάθμη της θάλασσας. Οι κατασκευές αυτές είναι σχεδιασμένες με τέτοιο τρόπο ώστε να επιτρέπουν σε συνήθεις συνθήκες να τις διαπερνά μικρό μέρος της κυματικής ενέργειας είτε με τη μορφή υπερπήδησης των κυματισμών, είτε με τη μετάδοσή τους μέσα από το πορώδες της κατασκευής. Σε σπάνιες περιπτώσεις βέβαια μεγάλων κυματισμών (πχ σημαντικές καταιγίδες) είναι εφικτό να μεταφερθεί μεγάλη κυματική ενέργεια στα κατάντη της κατασκευής. Εικόνα 2. 5 Τυπική διατομή έξαλου κυματοθραύστη 10

19 2.2.2 Χαμηλής στέψης ύφαλοι κυματοθραύστες Οι κυματοθραύστες αυτής της κατηγορίας έχουν ως υλικό κατασκευής λιθορριπή και ογκόλιθους, αν και κάποιες φορές χρησιμοποιείται και άοπλο σκυρόδεμα, όπως γίνεται στους έξαλους κυματοθραύστες. Αρκετές φορές μάλιστα με στόχο την προστασία τόσο των λουόμενων όσο και των σκαφών, χρησιμοποιούνται σωλήνες γεωυφάσματος, οι οποίοι περιέχουν άμμο. Η στέψη τους βρίσκεται κάτω από τη στάθμη της θάλασσας και με τον τρόπο αυτό επιτρέπουν στον κυματισμό να τους υπρεπηδήσει και να διαδοθεί κατάντη. Η παρουσία τους προκαλεί την ανάκλαση τμήματος της κυματικής ενέργειας στα ανοιχτά, απόσβεση μέρους αυτής και το υπόλοιπο μεταδίδεται προς την ακτή. Η απόσβεση της κυματικής ενέργειας επιτυγχάνεται μέσω της θραύσης του κύματος πάνω στον κυματοθραύστη. Με τέτοιου τύπου κυματοθραύστες επιτυγχάνεται η προστασία της ακτογραμμής από διάβρωση στη σκιά τους. Δημιουργούνται από την άλλη όμως αν δεν πραγματοποιηθεί σωστός σχεδιασμός της χωροδιάταξής τους, ρεύματα επαναφοράς ανάμεσα στα κενά των κυματοθραυστών αυτών, κάτι που έχει ως αποτέλεσμα τη διάβρωση της ακτογραμμής στα σημεία αυτά. Εικόνα 2. 6 Τυπική διατομή βυθισμένου κυματοθραύστη Έχουν το πρόσθετο πλεονέκτημα σε σχέση με τους έξαλους κυματοθραύστες ότι προκαλούν σημαντικά μικρότερη οπτική όχληση, πράγμα ιδιαίτερα σημαντικό τόσο από περιβαλλοντικής όσο και από τουριστικής άποψης. Για το λόγο αυτό η χρήση τους κρίνεται προτιμητέα σε σχέση με τους έξαλους κυματοθραύστες. 11

20 2.2.3 Πυθμενικοί τεχνητοί ύφαλοι Είναι προκατασκευασμένοι με υλικό το σκυρόδεμα και κατασκευάζονται σε διάφορες μορφές. Θεωρούνται περιβαλλοντικά φιλικά έργα προστασίας ακτών, καθώς επιτρέπουν την αναπαραγωγή συγκεκριμένων ειδών και εξάπλωση της πανίδας σε μια περιοχή. Ταυτόχρονα συμβάλλουν στην απόσβεση της κυματικής ενέργειας των κυματισμών, καθώς λόγω των κενών τους δημιουργούνται υδροδυναμικοί στρόβιλοι. Οι τεχνητοί ύφαλοι τοποθετούνται σχετικά κοντά μεταξύ τους και σε μικρά βάθη, καλύπτοντας ολόκληρο το εύρος της ακτής που πρέπει να προστατευθεί. Από τη στιγμή λοιπόν που μειώνουν την ενέργεια των κυματισμών, λόγω των στροβίλων που δημιουργούνται μειώνεται τόσο η διαβρωτική ενέργεια των κυματισμών, όσο και η παράκτια μεταφορά αμμώδους υλικού. Εικόνα 2. 7 Πυθμενικοί τεχνητοί ύφαλοι Το βασικό τους πλεονέκτημα έναντι των ύφαλων κυματοθραυστών αποτελεί το γεγονός ότι είναι εύκολα ανατάξιμοι και προκατασκευασμένοι, γεγονός που τους καθιστά αρκετά φθηνότερη ως λύση. Μπορούν επίσης να συνδυαστούν με τουριστικές χρήσεις, όπως είναι ο καταδυτικός τουρισμός, λόγω της πανίδας που θα αναπτυχθεί στα κενά τους. Από την άλλη είναι λιγότερο αποτελεσματικοί σε σχέση με έναν ύφαλο κυματοθραύστη ως προς την αντιδιαβρωτική τους δράση. 12

21 2.2.4 Πλωτοί κυματοθραύστες Χρησιμοποιούνται για την προστασία ημιπροστατευμένων παράκτιων περιοχών (επιχειρησιακό ύψος κύματος της τάξης του 1 μέτρου και περίοδο μικρότερη των 4 δευτερολέπτων) και αποτελούν βιομηχανικά παραγόμενες κατασκευές από πλαστικό ή οπλισμένο σκυρόδεμα σε μορφή κιβωτίου και αγκυρώνουν στον πυθμένα. Εικόνα 2. 8 Πλωτοί κυματοθραύστες Με την τοποθέτησή τους παράλληλα στην ακτή επιτυγχάνεται η μείωση της εγκάρσιας διαβρωτικής ικανότητας των κυματισμών και οι συνέπειες στην εξέλιξη της ακτογραμμής είναι ανάλογες με την περίπτωση ενός έξαλου κυματοθραύστη, με τη διαφορά ότι παρατηρείται μειωμένη προσάμμωση στη σκιά τους. Τα βασικά τους πλεονεκτήματα είναι τα ακόλουθα: Προκαλούν πολύ μικρές περιβαλλοντικές επιπτώσεις, καθώς δεν παρεμποδίζουν την κυκλοφορία του νερού αλλά και την ανανέωσή του. Δεν επηρεάζεται επίσης η μορφολογία της ακτής και του πυθμένα Το κόστος κατασκευής τους είναι ιδιαίτερα χαμηλό, ειδικά σε περιοχές με πυθμένα κακής ποιότητας, καθώς δε χρειάζονται θεμελίωση Είναι ιδιαίτερα γρήγοροι στο να τοποθετηθούν από τη στιγμή που είναι προκατασκευασμένοι και με τον τρόπο αυτό μειώνονται οι αρνητικές συνέπειες κατά τη φάση μεταφοράς και τοποθέτησής τους Είναι εύκολα ανατάξιμοι και για το λόγο αυτό μπορεί να μετακινηθούν χωρίς προβλήματα αν η αρχική τους τοποθέτηση ήταν προβληματική ή αν αλλάξουν οι κυματικές συνθήκες που επικρατούν στην περιοχή 13

22 2.3 Παράκτιοι τοίχοι Οι παράκτιοι τοίχοι κατασκευάζονται επί της ακτής και αφενός την προστατεύουν από διάβρωση και αφετέρου προστατεύουν υποδομές όπως έργα οδοποιίας, δίκτυα κτλ. Εικόνα 2. 9 Παράκτιος τοίχος σε ακτή Κατασκευάζονται συνήθως από λιθορριπές και τεχνητούς ή φυσικούς ογκόλιθους. Πρόκειται γενικά για σκληρές κατασκευές οι οποίες αλλοιώνουν έντονα το χαρακτήρα της ακτής και προκαλούν οπτική όχληση. 14

23 2.4 Τεχνητή αναπλήρωση ακτών Αποτελεί ήπια μέθοδο προστασίας ακτών και περιβαλλοντικά ενδεδειγμένη, καθώς δεν έχει τις αρνητικές συνέπειες που εμφανίζουν οι σκληρές μέθοδοι. Πραγματοποιείται τεχνητή αναπλήρωση της ακτής με φερτά υλικά τα οποία προέρχονται είτε από βαθύτερα, άλλες ακτές, ακόμα και χερσαίες τοποθεσίες με περίσσεια υλικού. Η μεταφορά του υλικού αυτού πραγματοποιείται τόσο με υδραυλικές μεθόδους όσο και μηχανικές με τη βοήθεια βυθοκόρων, αντλιών, εκσκαφών, προωθητών γαιών κτλ. Το υλικό αυτό στη συνέχεια τοποθετείται με τέτοιο τρόπο στο παραλιακό μέτωπο ώστε να επεκτείνεται η ακτή προς τη θάλασσα. Εικόνα Διατομή τεχνητής αναπλήρωσης Εναλλακτικά μπορεί να τοποθετηθεί στο υποβρύχιο τμήμα της ακτής διαμορφώνοντας ένα είδος τεχνητού υφάλου. Ο ύφαλος αυτός αφενός προστατεύει την ακτή, καθώς οι κυματισμοί θραύονται πάνω του χάνοντας τμήμα της ενέργειάς τους και αφετέρου υπό ήπιες κυματικές συνθήκες η άμμος αυτή μεταφέρεται προς την ακτή. Για καλύτερα αποτελέσματα η μέθοδος της τεχνητής ανάπλασης μπορεί να συνδυαστεί με άλλες μεθόδους προστασίας ακτών από διάβρωση, όπως είναι οι βυθισμένοι κυματοθραύστες. 15

24 Κεφάλαιο 3 Εξέλιξη ακτογραμμής της Παραλίας Κατερίνης Το πρόβλημα της διάβρωσης της της αμμώδους ακτής της Παραλίας Κατερίνης ουσιαστικά ξεκίνησε λόγω της κατασκευής αλιευτικού καταφυγίου στις αρχές της δεκαετίας του 1980 τμηματικά και συνδέεται με το φαινόμενο της παράκτιας μεταφοράς άμμου. Το αλιευτικό καταφύγιο Παραλίας Κατερίνης κατασκευάστηκε με στόχο να εξυπηρετήσει τον ελλιμενισμό των αλιευτικών σκαφών των αλιέων παράκτιας αλιείας της περιοχής. Συγκεκριμένα αποτελείται από: καμπύλο προσήνεμο μώλο με πρανή από φυσικούς ογκολίθους μήκους 205 μέτρων εγκάρσιο μώλο μήκους 150 μέτρων παραλιακά κρηπιδώματα με κατακόρυφα πρανή μήκους 149 μέτρων νησίδα, με κρηπιδώματα από την εσωτερική υπήνεμη πλευρά, ενώ η προσήνεμη είναι διαμορφωμένη με το φυσικό πρανές της αμμουδιάς. Η επικοινωνία της νησίδας με το υπόλοιπο αλιευτικό καταφύγιο γίνεται μέσω πεζογέφυρας στη βόρεια πλευρά της Εικόνα 3. 1 Αλιευτικό καταφύγιο Παραλίας Κατερίνης 16

25 3.1 Παράκτια μεταφορά άμμου Τα περισσότερα ακτομηχανικά φαινόμενα συμβαίνουν στην περιοχή που είναι γνωστή ως ζώνη θραύσης κυματισμών, δηλαδή από το βάθος στο οποίο πραγματοποιείται η θραύση μέχρι και την ακτή. Κατά τη θραύση των κυματισμών και τη μετακίνηση του μετώπου θραύσης προς την ακτή δημιουργούνται μεγάλης έντασης τυρβώδη φαινόμενα στη μάζα του νερού και αυτά έχουν ως αποτέλεσμα την αιώρηση των λεπτόκοκκων υλικών, τα οποία βρίσκονται στον πυθμένα και είναι συνήθως ιλύς και άμμος. H πρόσπτωση των κυματισμών υπό κλίση στην ακτή δημιουργεί ένα ρεύμα (longshore current), το οποίο μεταφέρει το υλικό που αιωρείται κατά μήκος της ακτής. Αυτός είναι και ο λόγος που διαχρονικά οι ακτές έχουν διαμορφωθεί με τέτοιο ώστε να είναι κάθετες στους κύριους κυματισμούς. 3.2 Κατασκευή αλιευτικού καταφυγίου επιπτώσεις Σε διάστημα μιας τετραετίας και συγκεκριμένα από το 1984 έως και το 1988 δημιουργήθηκε έντονη διάβρωση της ακτογραμμής βόρεια του αλιευτικού καταφυγίου, σε απόσταση 600 μέτρων περίπου. Σημειώθηκε επίσης νότια από το αλιευτικό καταφύγιο έντονη πρόσχωση της ακτής. Το φαινόμενο αυτό έχει να κάνει όπως αναφέρθηκε και πιο πάνω με την παράκτια μεταφορά άμμου. Το ανεμολογικό καθεστώς της περιοχής είναι τέτοιο, που η παράκτια μεταφορά άμμου που επικρατεί έχει κατεύθυνση από το νότο προς το βορρά. Η κατασκευή του αλιευτικού καταφυγίου λοιπόν είχε ως άμεσο αποτέλεσμα τη δημιουργία εμποδίου στη μεταφορά αυτή της άμμου. Συγκεκριμένα ο νότιος βραχίονας του λιμένα οδήγησε σε συσσώρευση αμμώδους υλικού στην περιοχή που βρίσκεται νότια του καταφυγίου. 17

26 Εικόνα 3. 2 Πρόσχωση νότια του αλιευτικού καταφυγίου Βόρεια του αλιευτικού καταφυγίου από την άλλη συνεχίζεται η παράκτια μεταφορά αμμώδους υλικού προς το βορρά, λόγω της δράσης κυματισμών. Το υλικό όμως αυτό πλέον δεν αναπληρώνεται, καθώς λόγω της κατασκευής του αλιευτικού καταφυγίου έχει διακοπεί η τροφοδοσία της περιοχής με νέο υλικό. Το αποτέλεσμα ήταν να σημειωθεί διάβρωση της ακτής βόρεια του αλιευτικού καταφυγίου, μείωση του εύρους της ακτής σε σημείο να κινδυνεύει να εξαφανιστεί πλήρως αλλά και να απειληθούν κτίρια της ακτής λόγω της ελεύθερης δράσης των κυμάτων. 18

27 Εικόνα 3. 3 Διάβρωση βόρεια του αλιευτικού καταφυγίου 3.3 Κατασκευή προσαμμωτικών προβόλων Λόγω της έντονης αλλοίωσης της ακτογραμμής αλλά και των προβλημάτων που δημιουργήθηκαν στην περιοχή, εκπονήθηκε το 1988 η «Προμελέτη προστασίας αλλοιούμενων ακτών Ν. Πιερίας» από το Υ.ΠΕ.ΧΩ.ΔΕ., η οποία υλοποιήθηκε στη συνέχεια μερικώς. Προέβλεπε την κατασκευή 12 προσαμμωτικών προβόλων αλλά στην πραγματικότητα κατασκευάστηκαν μόνο οι 11 και υπήρξαν μάλιστα και διαφοροποιήσεις σχετικά με τα τεχνικά στοιχεία της διατομής που κατασκευάστηκε. Σε επόμενη φάση της αρχικής μελέτης προτάθηκε η κατασκευή πέντε νέων μικρών προβόλων και ταυτόχρονα η καθαίρεση τμημάτων των υφιστάμενων, μιας και το πρόβλημα της διάβρωσης συνεχίστηκε. Οι τροποποιήσεις αυτές βέβαια δεν εφαρμόστηκαν. 19

28 Εικόνα 3. 4 Αεροφωτογραφία του έτους 1960, στην οποία φαίνεται η κατάσταση της ακτογραμμής το έτος 1997, με την μπλε γραμμή (Πηγή ΜΠΕ «Έργα προστασίας διαβρούμενων ακτών Δήμου Παραλίας)) Το αποτέλεσμα της κατασκευής και λειτουργίας των παραπάνω προβόλων ήταν απλά να μεταφερθεί το πρόβλημα της παράκτιας διάβρωσης βορειότερα και σε μερικές περιπτώσεις να γίνει ακόμα εντονότερη τοπικά ανάμεσα στους προβόλους. Κατά τη διάρκεια σφοδρών καταιγίδων πολλές φορές η εγκλωβισμένη ανάμεσα στους προβόλους άμμος εξαντλήθηκε τελείως και τα κύματα έφτασαν μέχρι και τα κτίρια της ακτής. Αυτό συνέβη, καθώς κατά τη διάρκεια της μελέτης αγνοήθηκε ο μηχανισμός της μεταφοράς άμμου κάθετα στην ακτή (cross shore transfer), ο οποίος είναι καθοριστικός στην περίπτωση της Παραλίας Κατερίνης. Πρόσθετα προβλήματα που δημιουργήθηκαν είχαν να κάνουν με την έντονη δυσοσμία, θολότητα και γενικότερα σημαντική υποβάθμιση της ποιότητας του νερού, λόγω κακής ανανέωσης του όγκου του νερού ανάμεσα στους προβόλους. 3.4 Κατασκευή βυθισμένων κυματοθραυστών Για την οριστική λύση του προβλήματος της διάβρωσης της ακτής, μετά την αποτυχία του συστήματος προσαμμωτικών προβόλων, προτάθηκε η λύση της κατασκευής βυθισμένων κυματοθραυστών. Η λύση αυτή προτάθηκε μέσα από την ακτομηχανική μελέτη που εκπονήθηκε το 2004 από τον Τομέα Υδραυλικής & Τεχνικής Περιβάλλοντος ΑΠΘ με επιστημονικό υπεύθυνο τον κ. Κουτίτα. Σύμφωνα με τη συγκεκριμένη μελέτη, καθώς και την οριστική μελέτη που εκπονήθηκε το 2007 από τη Νομαρχιακή Αυτοδιοίκηση Πιερίας απαιτούνταν τα παρακάτω έργα: Καθαίρεση των υπάρχοντων εγκάρσιων προβόλων 20

29 Κατασκευή τεσσάρων βυθισμένων κυματοθραυστών. Ο κάθε κυματοθραύστης θα έχει πλάτος 200 μέτρων και η απόσταση μεταξύ τους θα είναι 110 μέτρα Τεχνητή αναπλήρωση της ακτής με άμμο Παρατίθεται το σχέδιο που απεικονίζει τους βυθισμένους κυματοθραύστες με τον τρόπο που αυτοί μελετήθηκαν. Εικόνα 3. 5 Κυματοθραύστες σύμφωνα με τη μελέτη του 2007 Η κατασκευή τους τελικά πραγματοποιήθηκε το 2010 και απεικονίζεται παρακάτω: Εικόνα 3. 6 Κυματοθραύστες όπως τελικά κατασκευάστηκαν το

30 Εικόνα 3. 7 Τωρινή κατάσταση Παραλίας Κατερίνης (Πηγή Google Earth) Σύντομα μετά την κατασκευή των κυματοθραυστών κατά τη διάρκεια του φθινοπώρου, η πρώτη καταιγίδα που σημειώθηκε κατέδειξε τις αδυναμίες της παραπάνω λύσης. Όπως ήταν αναμενόμενο παρατηρήθηκε προσάμμωση της ακτής στη σκιά των κυματοθραυστών και διάβρωση στις περιοχές ανάμεσα στους κυματοθραύστες. Οι διαβρωτικές τάσεις ωστόσο ήταν τόσο ισχυρές που απείλησαν τα κτίρια επί της ακτογραμμής και απαιτήθηκαν άμεσα μέτρα προστασίας τους. Στο σημείο αυτό πρέπει να σημειωθεί ότι η λύση που αρχικά προτάθηκε περιλάμβανε την κατασκευή τεσσάρων βυθισμένων κυματοθραυστών σε συνδυασμό με την τεχνητή αναπλήρωση της ακτής. Παρόλα αυτά, κατασκευάστηκαν τρεις μόλις κυματοθραύστες και είναι αμφίβολο κατά πόσο πραγματοποιήθηκε ποτέ τεχνητός εμπλουτισμός με άμμο. 22

31 Κεφάλαιο 4 Παρουσίαση μοντέλων που χρησιμοποιήθηκαν 4.1 Μοντέλο μετάδοσης κυματισμών WAVE_L Το μοντέλο μετάδοσης κυματισμών WAVE_L δεν είναι τίποτα άλλο από τη βάση του τροποποιημένου μοντέλου Harrbour το οποίο χρησιμοποιήθηκε για τη μαθηματική προσομοίωση της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Η επεξήγηση του μαθηματικού μοντέλου γίνεται παρακάτω. Οι υπερβολικής μορφής εξισώσεις ήπιας κλίσης γράφονται (Copeland, 1985α, Watanabe & Maruyama, 1986, Καραμπάς, 2002-κεφάλαιο 3): (U d) (V d) w w t x y 0 2 Uw 1 (c ) 1 g d 0 t d x d cosh(kd) x 2 Vw 1 (c ) 1 g d 0 t d y d cosh(kd) y (4.1.1) όπου η είναι η ανύψωση της ελεύθερης επιφάνειας της θάλασσας λόγω του κυματισμού, d το βάθος της θάλασσας, Uw και Vw είναι οι μέσες ως προς το βάθος οριζόντιες ταχύτητες κατά x και y, k ο αριθμός κύματος και c η ταχύτητα διάδοσης του κυματισμού, c=l/t. Η απώλεια της ενέργειας λόγω θραύσης των κυματισμών στην ακτή ή πάνω στους κυματοθραύστες εισάγεται στο μοντέλο μέσω της προσομοίωσης των τάσεων Reynolds με τη θεώρηση τυρβώδη συντελεστή ιξώδους. Στο β μέρος των εξισώσεων της ορμής προστίθενται οι όροι: U... vh v x U 2 2 w w 2 h 2 y V... vh v x V 2 2 w w 2 h 2 y (4.1.2) όπου ν h ένας τεχνητός τυρβώδης συντελεστής ιξώδους (Καραμπάς, 2002, κεφ. 3). Ο συντελεστής τυρβώδους ιξώδους υπολογίζεται από (Battjes, 1975): 23

32 h h D 2 1/ 3 (4.1.3) όπου D η απώλεια της ενέργειας λόγω της θραύσης τυχαίων κυματισμών 1 4 Q f gh b s 2 m (4.1.4) με f s τη μέση συχνότητα φάσματος, H m το μέγιστο δυνατό ύψος κύματος (γh, με γ μία σταθερά) και Q b συντελεστή που σχετίζεται με τη πιθανότητα θραύσης του κυματισμού. Μετά την παραδοχή κατανομής Rayleigh, ο συντελεστής Q b δίνεται από τη λύση της παρακάτω εξίσωσης: 1 Q lnq b b 2 H rms Hm (4.1.5) όπου H rms είναι το μέσο τετραγωνικό ύψος (στο πρόγραμμα υπολογίζεται από τη σχέση H rms=2 (<2ζ 2 >) 1/2 όπου οι αγκύλες <> δηλώνουν μέση χρονική τιμή). Είναι φανερό ότι, όταν H rms<<h m, τότε Q b<<1 (μη θραυόμενοι κυματισμοί). Η παραπάνω εξίσωση της απώλειας D μπορεί να περιγράψει την απώλεια τυχαίων κυματισμών σε πολύπλοκη βυθομετρία. Η απώλεια της ενέργειας λόγω τριβής πυθμένα προσομοιώνεται με τους γραμμικοποιημένους όρους στο β μέρος των εξισώσεων της ορμής:...= f b σ U w...= f b σ V w (4.1.6) όπου σ η γωνιακή συχνότητα, f b είναι ο γραμμικοποιημένος συντελεστής τριβής που συνδέεται με τον συντελεστή τριβής (κύματος) f w με τη σχέση: f σ = b 1 2 f U +V 2 2 w w w d (4.1.7) Ανακεφαλαιώνοντας, οι τελικές εξισώσεις του μοντέλου κυματισμών είναι οι εξής: (U d) (V d) w w t x y 0 U 1 (c ) 1 g d U U t d x d cosh(kd) x x y w w w vh v 2 h f 2 b Uw 24

33 Vw Vw v v 2 h h V y w 1 (c ) 1 g d x fb Vw t d y d cosh(kd) y x y (4.1.8) Οι παραπάνω εξισώσεις προκύπτουν από την αντικατάσταση της κατανομής της πίεσης και των ταχυτήτων, από τη γραμμική θεωρία (κυματισμοί μικρού εύρους), στις γραμμικοποιημένες εξισώσεις Navier-Stokes και έτσι έχουν τη δυνατότητα περιγραφής της μετάδοσης των απλών αρμονικών γραμμικών κυματισμών σε οποιοδήποτε βάθος (συνδυασμός των φαινομένων της διάθλασης, περίθλασης, ανάκλασης και ρηχότητας). Για την ολοκλήρωση τους μπορούν να χρησιμοποιηθούν γνωστά ρητά σχήματα πεπερασμένων διαφορών που εφαρμόζονται στην αριθμητική ολοκλήρωση των εξισώσεων μακρών κυματισμών (Κουτίτας, 1985). Εικόνα 4. 1 Διακριτοποίηση των μεταβλητών Στο σημείο iδx και στο χρόνο nδt (όπου Δx και Δt το χρονικό και χωρικό βήμα διακριτοποίησης) οι μερικές παράγωγοι των εξισώσεων (4.1.8) προσεγγίζονται, σε έναν έκκεντρο κάναβο (όπου, σύμφωνα με την εικόνα 4.1, στο κέντρο του κανάβου υπολογίζεται η ανύψωση η ενώ οι ταχύτητες U w και V w στην άκρη), ως εξής (Κουτίτας, 1985, Copeland, 1985): (U d) (U d) (V d) (V d) i i t x y n+1 n n n n n w i1,j w i,j w i,j1 w i,j 0 25

34 n1 n 2 n1 2 n1 n Uw i,j U w i,j 1 (c ) i,j (c ) i1,j 1 g i,j di,j di-1,j t d x d cosh(k d ) x i i,j i,j i,j U 2 U U U 2 U U x x n n n n n n w i+1,j w i,j w i-1,j w i,j+1 w i,j w i,j-1 n h h f 2 2 b Uwi,j n1 n 2 n1 2 n1 n Vw i,j V w i,j 1 (c ) i,j (c ) i,j-1 1 g i,j di,j di,j-1 t d x d cosh(k d ) x i i,j i,j i,j n n n n n n Vw i+1,j 2Vw i,j Vw i-1,j Vw i,j+1 2Vw i,j Vw i,j-1 n h 2 h f 2 b Vwi,j x x (4.1.9) Οι οριακές συνθήκες που εφαρμόστηκαν πλευρικά ήταν συνθήκες σπογγώδους ζώνης (τεχνική απορρόφησης των κυματισμών -sponge layer- των Larsen and Dancy, 1983). Η τεχνική αυτή εφαρμόζεται σε ένα διάστημα μήκους xs από το όριο και προς την ανοικτή θάλασσα. Στο εσωτερικό του διαστήματος αυτού οι μεταβλητές η, U w και V w διαιρούνται, σε κάθε χρονικό βήμα, με έναν συντελεστή μ(x) που ορίζεται: x/δx xs/δx μ(x) exp 2 2 lnβ (4.1.10) όπου β είναι μία σταθερά η οποία εξαρτάται από τον αριθμό των σημείων του διαστήματος xs δηλαδή το xs/δx. Ο αριθμός αυτός μπορεί να καθορίσει και τον συντελεστή της (μερικής) ανάκλασης. Το σύστημα διεγείρεται από μία χρονοσειρά η i* (t) ανύψωσης της ελεύθερης επιφάνειας που εφαρμόζεται σε μία γραμμή του εσωτερικού της λιμενολεκάνης παράλληλα σε ένα όριο και σε απόσταση 20dx από αυτό (Larsen and Dancy, 1983, Lee and Suh, 1998). Η χρονοσειρά διέγερσης είναι ημιτονοειδής: * H t i 2 sin (t-t f ) cos c 2 x με t f=sin(φ) x/c (4.1.11) όπου Η είναι το ύψος του κύματος στην είσοδο του λιμενικού έργου, c η ταχύτητα μετάδοσης, Δt και Δx το χρονικό και το χωρικό βήμα, σ συχνότητα και φ η γωνία πρόσπτωσης. Η ανύψωση η i* (t) προστίθεται στην υπολογισμένη ανύψωση στο εσωτερικό του πεδίου, δηλ. η τελική τιμή του η είναι το άθροισμα του προσπίπτοντος κυματισμού η i* (t) και του αποτελέσματος από το εσωτερικό του πεδίου. Στα πρώτα 20 (xs/δx=20) σημεία επιβάλλεται η 26

35 συνθήκη ορίου απορρόφησης (sponge layer) ώστε να απορροφώνται οι ανακλώμενοι κυματισμοί από το εσωτερικό του υπολογιστικού πεδίου. Στα όρια πλήρους ανάκλασης εφαρμόζονται οι οριακές συνθήκες: U w=0 ή V w=0 (και η/s=0, όπου s ο άξονας κάθετα στο όριο). Η ανάκλαση περιγράφεται αυτόματα στο πρόγραμμα ορίζοντας το κατακόρυφο μέτωπο με το χαρακτηριστικό βάθος

36 4.2 Μοντέλο κυματογενούς κυκλοφορίας WICIR (Wave Induced CIRculation) Η απώλεια της ενέργειας των κυματισμών, κυρίως λόγω της θραύσης τους, σε συνδυασμό με την επίδραση των φαινομένων της διάθλασης και περίθλασης, οδηγεί στη δημιουργία παράκτιων κυματογενών ρευμάτων. Ολοκληρώνοντας τις εξισώσεις ισορροπίας ως προς το βάθος και ως προς την περίοδο του κύματος προκύπτουν από τους μη γραμμικούς όρους και από τους όρους βαθμίδος της πίεσης, επιπλέον όροι, γνωστοί ως τάσεις ακτινοβολίας. Οι εξισώσεις συνέχειας και ισορροπίας, για το υπολογισμό του κυματογενούς ρεύματος, γράφονται (Καραμπάς, 2002): ζ t x Uh Vh y 0 (4.2.1) U U U ζ 1 S S xx 1 U 1 U U V g νhh νhh t x y x ρh x y h x x h y y h h xy sx bx V V V ζ 1 S S 1 V 1 V U V g νhh νhh t x y y ρh x y h x x h y y h h xy yy sy by όπου ζ η ανύψωση της μέσης στάθμης θάλασσας και U και V είναι οι μέσες ως προς το βάθος οριζόντιες ταχύτητες του ρεύματος κατά x και y, h το συνολικό βάθος, h=d+ζ. Οι τάσεις ακτινοβολίας που είναι συναρτήσεις των αποτελεσμάτων του κυματικού μοντέλου, U w, V w και η, υπολογίζονται από την εργασία του Copeland (1985β): w w 2 V w + D r + g 2 Sxx Uw Vw Uw Vw d Uw Ar -d < + >B r + U w + D r + x y x x y U V 1 y x y 2 2 yy w w 2 w w w r r w r S U V U V d V A -d < + >B +d V + D + x y y x y 2 Uw Vw 1 2 d U w + D r + g x x y 2 28

37 Sxy 2 d UwVw Ar (4.2.2) όπου τα σύμβολα < > δηλώνουν ολοκλήρωση ως προς τη περίοδο του κύματος (δηλ. A 1 T T 0 A(t) dt ) και: k 1 A r= sinh2kd + 2kd B 2 r= sinh2kd -2kd 2 4sinh kd 4k sinh kd d 1 D r = sinh 2kd -cosh2kd 2 4sinh kd 2kd Στο μοντέλο WAVE-L οι τάσεις ακτινοβολίας υπολογίζονται με τη χρήση των (4.2.2). Οι εκφράσεις αυτές βασίζονται στη γραμμική θεωρία κυματισμών και είναι γενικές, χωρίς την παραδοχή απλά προωθούμενων κυματισμών (μια παραδοχή που γίνεται πολύ συχνά). Έτσι μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πολύπλοκα πεδία του παράκτιου χώρου όπου συνυπάρχουν τα φαινόμενα της διάθλασης, θραύσης, περίθλασης και (μερικής ή ολικής) ανάκλασης των κυματισμών. Οι διατμητικές τάσεις τ bx και τ by στις εξισώσεις ορμής των σχέσεων (4.2.1) προσομοιώνουν την απώλεια της ενέργειας λόγω τριβής στον πυθμένα. Ο ρόλος τους είναι σημαντικός στην εκτίμηση των κυματογενών ρευμάτων και γι αυτό απαιτείται μια όσο το δυνατόν ορθότερη προσομοίωσή τους. Τραχύτητα αμμώδους πυθμένα Πριν υπολογιστούν οι διατμητικές τάσεις θα πρέπει πρώτα να εκτιμηθεί η τραχύτητα του θαλάσσιου αμμώδους πυθμένα k s στον παράκτιο χώρο κάτω από τη δράση των κυματισμών, όπου θα λαμβάνεται υπόψη και η ύπαρξη αμμοκυματίων. Τα αμμοκυμάτια δεν επιδρούν άμεσα στη μετάδοση των κυματισμών αλλά όμως επιδρούν σημαντικά στο σχηματισμό της οριακής στοιβάδας και την ένταση της τύρβης κοντά στον πυθμένα. Συνεπώς επηρεάζουν την κατανομή του κυματογενούς ρεύματος αλλά και τη μεταφορά φερτών στον πυθμένα. Τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά τους, το ύψος η r και το μήκος λ, συνδέονται με τα χαρακτηριστικά του κυματισμού και της άμμου. Το ύψος η r των αμμοκυματίων σε περιβάλλον τυχαίων 29

38 κυματισμών δίνεται ως συνάρτηση του αριθμού κινητικότητας Ψ (Καραμπάς, 2002, κεφάλαιο 4): η r Ξ 21 Ψ U o Ψ (s 1)gd για Ψ>10 με 50 (4.2.3) όπου U o είναι το πλάτος (μέγιστη τιμή) της οριζόντιας κυματικής ταχύτητας στον πυθμένα (για z=-d) που υπολογίζεται από τη σχέση της γραμμικής θεωρίας κυματισμών U o=πh/(tsinh(kh)), s=ρ s/ρ (όπου ρ s η πυκνότητα του ιζήματος και ρ η πυκνότητα του νερού, s 2.65), d 50 η μέση διάμετρος των κόκκων και Ξ το πλάτος τροχιάς των μορίων κοντά στον πυθμένα λόγω του κυματισμού, κύματος. Ξ U o T 2π. Η ταχύτητα U o και η περίοδος Τ σχετίζονται με το σημαντικό ύψος Η σχέση που συνδέει το η r με το μήκος των αμμοκυματίων λ είναι: ηr θ2.5 λ (4.2.4) όπου θ 2.5 η παράμετρος Shields που αντιστοιχεί σε επίπεδο πυθμένα με τραχύτητα 2.5d 50: θ f 2.5V 2 (s 1)gd 2 o 50 (4.2.5) με f 2.5 τον συντελεστή τριβής για τραχύτητα 2.5d 50: f d 50 exp Ξ (4.2.6) Όταν επικρατούν έντονες κυματικές συνθήκες και η τιμή της παραμέτρου Ψ πάρει μεγάλες τιμές, Ψ>240, τότε τα αμμοκυμάτια εξαφανίζονται και ο πυθμένας είναι πλέον επίπεδος. Σε ιδιαίτερα ήπιες συνθήκες για Ψ<10 δεν σχηματίζονται αμμοκυμάτια. Μετά τον υπολογισμό του ύψους η r και του μήκους λ των αμμοκυματίων, η τραχύτητα του αμμώδους πυθμένα k s υπολογίζεται από: 30

39 k 8 η 170 θ 0.05 d λ 2 r s (4.2.7) Διατμητικές τάσεις Για τον υπολογισμό των διατμητικών τάσεων των σχέσεων (4.2.1) θεωρούνται οι συνολικές ταχύτητες στον πυθμένα και όχι μόνο οι ταχύτητες του ρεύματος ή του κύματος. Όπως αναφέρθηκε στην κυματογενή κυκλοφορία ένα υλικό σημείο εκτελεί συνδυασμένη κίνηση: κυματική παλινδρομική και κίνηση ρεύματος. Οι συνολικές ταχύτητες κοντά στον πυθμένα u b και v b δίνονται από (Καραμπάς, 2002, κεφάλαιο 4): u b(t)=u+u w-b(t) v b(t)=v+v w-b(t) (4.2.8) όπου u w-b, v w-b οι ταχύτητες του κύματος κοντά στον πυθμένα. Οι διατμητικές τάσεις δίνονται από τις σχέσεις: τ bx 1 ρf 2 cw u b u 2 b v 2 b τby ρfcw vb ub vb 2 (4.2.9) όπου f cw είναι ο συνολικός συντελεστής τριβής λόγω κύματος-ρεύματος. Η ύπαρξη των κυματισμών στη συνδυασμένη αυτή κίνηση κύματος-ρεύματος επιδρά στην κατακόρυφη κατανομή της οριζόντιας ταχύτητας του ρεύματος αυξάνοντας την τύρβη κοντά στον πυθμένα. Άρα ο συντελεστής f cw θα πρέπει να είναι συνάρτηση των συντελεστών τριβής ρεύματος f c και κύματος f w. Μία απλοποιημένη έκφραση είναι ένας γραμμικός συνδυασμός των f c και f w : f cw=a cw f c+(1-a cw)f w (4.2.10) όπου ο συντελεστής a cw κατά x δίνεται από τη σχέση: a cw-x=u/(u+u o), ενώ κατά y από: a cwy=v/(v+u o). Ο συντελεστής τριβής λόγω ρεύματος f c είναι συνάρτηση του συντελεστή τριβής Chezy c c: f c 2g c 2 c c c 18log 10 12h k s (4.2.11) 31

40 Ο συντελεστής τριβής λόγω κυματισμών δίνεται από τη σχέση: f w 0.19 k s exp Ξ (4.2.12) Συντελεστής οριζόντιας διάχυσης Ο συντελεστής οριζόντιας διάχυσης ν h υπολογίζεται από τη σχέση (Καραμπάς, 2002): ν h 0.5U o H (4.2.13) O συντελεστής οριζόντιας διάχυσης δεν εισάγεται μόνο για την προσομοίωση της τύρβης αλλά κυρίως εισάγεται να προσομοιώσει την ανάμιξη στη ζώνη θραύσης όπου η επίδραση της οριζόντιας διασποράς είναι ιδιαίτερα σημαντική σε σχέση με την τυρβώδη διάχυση. 32

41 4.3 Μοντέλο στερεομεταφοράς και μακροχρόνιας εξέλιξης μορφολογίας πυθμένα SEDTR (SEDiment Transport) Στο κεφάλαιο αυτό υπολογίζεται η στερεομεταφορά στην περιοχή σε δισδιάστατο πεδίο ώστε να οδηγηθούμε σε μια ορθή κατανόηση των φαινομένων με βάση τα αποτελέσματα ενός προηγμένου μαθηματικού μοντέλου. Για την ανάλυση αυτή χρησιμοποιείται ένα δισδιάστατο μοντέλο προσομοίωσης. Τέτοια μοντέλα βρίσκονται στην παρούσα φάση διεθνώς σε προχωρημένο ερευνητικό επίπεδο. Η συνολική παροχή q t του φορτίου φερτών υλών είναι το άθροισμα της παροχής δύο επιμέρους φορτίων, του φορτίου πυθμένα q b και του φορτίου σε αιώρηση q s: q t=q b+q s (4.3.1) Ταχύτητα ρεύματος, U Ταχύτητα κύματος, u w q b Εικόνα 4. 2 Φορτίο πυθμένα (qb) 33

42 Μη θραυόμενος κυματισμός Θραυόμενος κυματισμός Συνολική ταχύτητα U+u w Κατανομή Φορτίο σε αιώρηση πάνω από τα αμμοκυμάτια συγκέντρωσης Φορτίο σε αιώρηση λόγω της τύρβης Εικόνα 4. 3 Φορτίο σε αιώρηση (qs) Όταν η κίνηση των κόκκων γίνεται με κύλιση στον πυθμένα ή διαδοχικά άλματα που συνεπάγονται περιοδική επαφή με τον πυθμένα τότε η μεταφορά φερτών χαρακτηρίζεται ως φορτίο πυθμένα (Εικόνα 4.2). Όταν οι κόκκοι των ιζημάτων βρίσκονται σχεδόν συνέχεια σε αιώρηση στη στήλη του νερού λόγω της τύρβης τότε η μεταφορά φερτών χαρακτηρίζεται ως φορτίο σε αιώρηση (Εικόνα 4.3). Ανάλογα με τα χαρακτηριστικά των κόκκων, των κυματισμών και των κυματογενών ρευμάτων κυριαρχεί το ένα ή το άλλο φορτίο. Προφανώς όσο πιο μεγάλη είναι η διάμετρος των κόκκων τόσο πιο σημαντικό είναι το φορτίο πυθμένα. Για την εκτίμηση φορτίου πυθμένα και φορτίου σε αιώρηση γίνεται η παραδοχή της ενεργητικής προσέγγισης. Η ενεργητική προσέγγιση βασίζεται στην ιδέα του Bagnold που συνέδεσε τη στερεοπαροχή με την απώλεια της ενέργειας των κυματισμών. Οι συνολικές στερεοπαροχές q xt, q yt, κατά τους οριζόντιους άξονες x και y δίνονται από το άθροισμα της στερεοπαροχής των δύο επιμέρους φορτίων, των φορτίων πυθμένα q bx, q by και των φορτίων σε αιώρηση q sx, q sy(καραμπάς, 2002): q xt= q bx +q sx q yt= q by +q sy 1 ε u d b b x qbx ω b (ρs ρ)g tan ubt tan 34

43 q sx (ρ s 1 ρ)g ε s u w bt f u u b bt ε s d x u w bt f ω t 1 ε v d b b y qby ω b (ρs ρ)g tan ubt tan q sy (ρ s 1 ρ)g ε s u w bt f v u b bt ε s d y u w bt f ω t (4.3.2) όπου Φ είναι η γωνία εσωτερικής τριβής, tanφ=0.6, ε b, ε s συντελεστές απόδοσης φορτίου πυθμένα και αιώρησης (ε b=0.1, ε s=0.02), w f είναι η ταχύτητα καθίζησης των κόκκων, d x, d y οι κλίσεις του πυθμένα ως προς x και y, u b=u b(t), v b=v b(t) οι συνολικές οριζόντιες ταχύτητες κύματος και ρεύματος κοντά στον πυθμένα κατά x και y, u bt u 2 b v 2 b, ω b η απώλεια της ενέργειας λόγω της τριβής πυθμένα και ω t η συνολική απώλεια της ενέργειας λόγω της τριβής πυθμένα και της θραύσης των κυματισμών: 1 ω f ρu 2 3 b cw bt ω ω De t b 3/2(1 h/h) (4.3.3) όπου H είναι το μέσο τετραγωνικό ύψος του κύματος (H=H rms) και D η απώλεια της ενέργειας λόγω της θραύσης των κυματισμών (σχέση 4.1.4). Στις παραπάνω σχέσεις (4.3.2) και (4.3.3) οι παράμετροι που σχετίζονται με τον κυματισμό (π.χ. D, f w, που αντιπροσωπεύουν την τύρβη λόγω θραύσης και τριβής πυθμένα) είναι υπεύθυνοι για την αποσταθεροποίηση των κόκκων, οι οποίοι μεταφέρονται κυρίως από το ρεύμα (ταχύτητες U και V). Η μεταφορά λόγω της ασυμμετρίας του κυματισμού σχετίζεται με την (ασύμμετρη) κυματική ταχύτητα και την ολοκλήρωση ως προς την περίοδο του κύματος. Η ταχύτητα καθίζησης των κόκκων w f υπολογίζεται ως συνάρτηση της μέσης διαμέτρου των κόκκων d 50, σύμφωνα με (Ahrens, 2000): 35

44 2 f 1 50 t Δgd50 w =C Δgd /ν + C (4.3.4) με C 1=0.055 tanh[12a -059 exp( a)] C t=1.06 tanh[0.016a 0.5 exp(-120/a)] 3 50 A=Δgd /ν 2 όπου ν το κινηματικό ιξώδες, Δ η σχετική πυκνότητα της άμμου, Δ=(ρ s-ρ)/ρ, (ρ s είναι η πυκνότητα της άμμου και ρ η πυκνότητα του νερού). O Leont yev (1990) απλοποίησε τις παραπάνω εκφράσεις (4.3.2) και (4.3.3) αγνοώντας τους όρους κλίσης πυθμένα και κάνοντας τις παραδοχές ότι οι κυματισμοί είναι γραμμικοί και ότι οι ταχύτητες του ρεύματος U και V είναι μικρότερες από την μέγιστη ταχύτητα του κύματος U o. Έτσι οι σχέσεις (4.3.2) και (4.3.3) τροποποιούνται στις: q xt= q bx +q sx q yt= q by +q sy 9 1 b U q bx = b 8 ( s- )g tan Uo 1 U qsx εs ω t (ρs ρ)g wf 9 1 b V q by = b 8 ( s- )g tan Uo 1 V qsy εs ω t (ρs ρ)g wf ω b fwρuo ω 4ω De t b 3/2(1 h/h) (4.3.5) όπου q xt, q yt οι συνολικές στερεοπαροχές, q xt=q bx+q sx, q yt=q by+q sy, U και V οι ταχύτητες του κυματογενούς ρεύματος και U o το πλάτος της οριζόντιας ταχύτητας στον πυθμένα από τη σχέση: U o=πh/(tsinh(kd)). Οι ταχύτητες U και V λαμβάνονται απευθείας από τα αποτελέσματα του μοντέλου κυματογενούς κυκλοφορίας (4.2.1) (εφόσον για την εκτίμηση μακροχρόνιων μεταβολών σε δισδιάστατα προβλήματα οι ταχύτητες του δευτερογενούς ρεύματος συνήθως αγνοούνται). Με την απλοποίηση αυτή το παραπάνω ομοίωμα περιγράφει τις μακροχρόνιες δυσδιάστατες μεταβολές της μορφολογίας. 36

45 Οι μορφολογικές μεταβολές, δηλαδή ο ρυθμός μεταβολής της στάθμης του πυθμένα, στον παράκτιο χώρο υπολογίζονται επιλύνοντας την εξίσωση διατήρησης του όγκου των φερτών: d t 1 q (1 p) x xt q yt y (4.3.6) όπου d είναι το βάθος του νερού, p το πορώδες της άμμου (p 0.4) και q tx, q ty είναι οι συνολικές στερεοπαροχές παράλληλα (άξονας x) και κάθετα (άξονας y) στην ακτή. z x d q tx q tx+ dx dx Εικόνα 4. 4 Μεταβολή στάθμης πυθμένα Η παραπάνω εξίσωση (4.3.6) προσομοιώνει τις μεταβολές του πυθμένα σε τρισδιάστατο πεδίο. Χρησιμοποιείται τόσο για την εκτίμηση βραχυχρόνιων μεταβολών (της τάξεως μερικών ωρών έως μερικών ημερών) όσο και των μακροχρόνιων (της τάξεως μερικών ετών). 37

46 Κεφάλαιο 5 Εφαρμογές λογισμικού 5.1 Εισαγωγή Για τις αναλύσεις που χρησιμοποιήθηκαν τα παρακάτω προγράμματα: Harrbour.exe, Wave_Cir.exe και Sedtr.exe Notepad, το οποίο χρησιμοποιείται για το άνοιγμα αρχείων μορφής.dat, που αποτελούν αρχεία εισαγωγής αλλά και παραγόμενα για τα παραπάνω προγράμματα Surfer 9 για τη γραφική απεικόνιση αρχείων.grd 5.2 Πρόγραμμα Harrbour.exe Με την εφαρμογή αυτού του προγράμματος υπολογίζεται το κυματικό μοντέλο εισάγοντας κάθε φορά τα δεδομένα του εκάστοτε κυματισμού. Μεταβλητές Ηο - Ύψος κύματος Ho dt, dx - Το χρονικό και χωρικό βήμα per- Περίοδος κύματος fin - Η γωνία πρόσπτωσης κύματος im, jm - Τα μέγιστα σημεία tend ο χρόνος εκτέλεσης του προγράμματος slope κλίση πυθμένα Αρχεία Εισόδου depth.dat eddy.dat icod.dat icodsb.dat 38

47 Αρχεία Εξόδου elev.dat bottom.dat height.dat sect.dat sxxyy.dat sect_h.dat thita.dat uxut.dat 39

48 5.2.1 Αρχείο elev.dat Στο αρχείο elev.dat δίνεται το ανάγλυφο του βυθού σύμφωνα με το χωρικό βήμα που επιλέχθηκε για όλα τα των σημεία ij του πεδίου. Παραγόμενο αρχείο elev.dat Εικόνα 5. 1 Παραγόμενο αρχείο elev.dat Η 1 η και 2 η στήλη αντιπροσωπεύουν τις συντεταγμένες των σημείων ενώ η 3 η στήλη είναι η τιμή της ανύψωσης της επιφάνειας της θάλασσας. Προφανώς οι τιμές με αρνητικό πρόσημο είναι κάτω από τη μέση στάθμη της θάλασσας και αυτές με θετικό είναι πάνω από τη μέση στάθμη της θάλασσας. 40

49 5.2.2 Αρχείο height.dat Στο αρχείο height.dat γράφονται τα ύψη των κυμάτων των σημείων ij του πεδίου (σύμφωνα με το χωρικό βήμα που επιλέχθηκε) από την ελάχιστη τιμή ij (2.5,2.5) έως τη μέγιστη τιμή ij (2000,425). Εικόνα 5. 2 Παραγόμενο αρχείο height.dat Η 1 η και 2 η στήλη αντιπροσωπεύουν τις συντεταγμένες των σημείων ενώ η 3 η στήλη είναι η τιμή του ύψους του κύματος στο σημείο. 41

50 5.2.3 Αρχείο bottom.dat Παραγόμενο αρχείο bottom.dat. Εικόνα 5. 3 Παραγόμενο αρχείο bottom.dat Η 1 η και η 2 η στήλη εκφράζουν τις μέγιστες ταχύτητες πυθμένα κατά χ και y, ενώ η 3 η στήλη δίνει το ιξώδες (eddy velocity). 42

51 5.2.4 Αρχείο sect.dat Είναι το αρχείο που δίνει τα ύψη του κύματος σε τακτές τομές. Παραγόμενο αρχείο sect.dat. Εικόνα 5. 4 Παραγόμενο αρχείο sect.dat 43

52 5.2.5 Αρχείο sxxyy.dat Στο αρχείο γράφονται οι τάσεις ακτινοβολίας Sxx, Syy και Sxy που αντιστοιχούν ανάλογα στις τρεις στήλες του αρχείου sxxyy.dat. Παραγόμενο αρχείο sxxyy.dat. Εικόνα 5. 5 Παραγόμενο αρχείο sxxyy.dat 44

53 5.2.6 Αρχείο thita.dat Παραγόμενο αρχείο thita.dat. Εικόνα 5. 6 Παραγόμενο αρχείο thita.dat 45

54 5.2.7 Αρχείο sect_h.dat Παραγόμενο αρχείο sect_h.dat. Εικόνα 5. 7 Παραγόμενο αρχείο sect_h.dat 46

55 5.3 Wave_Cir.exe Με το πρόγραμμα αυτό γίνεται ο υπολογισμός του μοντέλου κυματογενούς κυκλοφορίας. Οι μεταβλητές του προγράμματος Wave_Cir.for είναι: Ηο - Ύψος κύματος Ho dt, dx - Το χρονικό και χωρικό βήμα per- Περίοδος κύματος im, jm - Τα μέγιστα σημεία nm - ο χρόνος εκτέλεσης του προγράμματος Τα Αρχεία Εισόδου είναι: Τα αρχεία δεδομένων depth.dat bottom.dat sxxyy.dat thita.dat icod.dat icodsb.dat Τα Αρχεία Εξόδου είναι: vel.dat setup.dat sect_u.dat 47

56 5.3.1 Αρχείο vel.dat Στο αρχείο vel.dat γράφεται το πεδίο πρωτογενών ταχυτήτων (U,V). Παραγόμενο αρχείο vel.dat. Εικόνα 5. 8 Παραγόμενο αρχείο vel.dat Η 1 η και 2 η στήλη αντιπροσωπεύουν τις συντεταγμένες των σημείων x και y, ενώ η 3 η και 4 η στήλη τις αντίστοιχες ταχύτητες u x και u y ενώ η 5 η στήλη αποτελεί την ανύψωση της μέσης στάθμης της θάλασσας. 48

57 5.3.2 Αρχείο setup.dat Παραγόμενο αρχείο setup.dat. Εικόνα 5. 9 Παραγόμενο αρχείο setup.dat Η 1 η και 2 η στήλη αντιπροσωπεύουν τις συντεταγμένες των σημείων. 49

58 5.3.3 Αρχείο sect_u.dat Παραγόμενο αρχείο sect_u.dat. Εικόνα Παραγόμενο αρχείο sect_u.dat 50

59 5.4 SedTr.exe Είναι το μοντέλο εξέλιξης της βυθομετρίας και υπολογίζει τη στερεομεταφορά. Οι μεταβλητές του προγράμματος SedTr.for είναι: d50 - μέση διάμετρο κόκκων dt, dx - Το χρονικό και χωρικό βήμα per - Περίοδος κύματος iend - το πλήθος των χρονικών βημάτων (τελικός χρόνος= dt. iend) Ηο - Ύψος κύματος Ho Slp κλίση πυθμένα Αρχεία Εισόδου: Τα αρχεία δεδομένων depth.dat icod.dat icodsb.dat thita.dat bottom.dat vel.dat sect_u.dat Αρχεία εξόδου: q2d.dat newbed.dat 51

60 5.4.1 Αρχείο q2d.dat Υπολογίζει τη στερεομεταφορά με τη χρήση των εξισώσεων (7.3.5). Παραγόμενο αρχείο q2d.dat Εικόνα Παραγόμενο αρχείο q2d.dat Η 1 η και 2 η στήλη αντιπροσωπεύουν τις συντεταγμένες των σημείων ενώ η 3 η και 4 η στήλη τις συνολικές στερεοπαροχές q xt, q yt αντίστοιχα. 52

61 5.4.2 Αρχείο newbed.dat Η μεταβολή του βάθους του πεδίου υπολογίζεται από την αριθμητική επίλυση της εξίσωσης συνέχειας φερτών (7.3.6) και γράφεται στο αρχείο newbed.dat. Παραγόμενο αρχείο newbed.dat. Εικόνα Παραγόμενο αρχείο newbed.dat Η 1 η και 2 η στήλη αντιπροσωπεύουν τις συντεταγμένες των σημείων ενώ η 3 η και 4 η στήλη την καινούργια βυθομετρία και τη βυθομετρία του προηγούμενου τρεξίματος αντίστοιχα και η 5 η στήλη τη διαφορά αυτών. 53

62 Κεφάλαιο 6 Εφαρμογή στην Παραλία Κατερίνης Στόχος της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι η πρόταση μιας λύσης, η οποία θα αντιμετωπίσει οριστικά το πρόβλημα της διάβρωσης της ακτογραμμής της Παραλίας Κατερίνης. Ένα πρόβλημα που χρονίζει εδώ και πάνω από 30 χρόνια και δεν έχει αντιμετωπιστεί μέχρι σήμερα, παρά τις προσπάθειες που κατά καιρούς έγιναν (προσαμμωτικοί πρόβολοι αρχικά, βυθισμένοι κυματοθραύστες στη συνέχεια).η λύση οφείλει να είναι περιβαλλοντικά, κοινωνικά και οικονομικά βιώσιμη, να είναι συμβατή με τις ήδη υπάρχουσες χρήσεις και να δίνει περιθώριο για περεταίρω ανάπτυξη της Παραλίας Κατερίνης και μελλοντικά. Όπως αναφέρθηκε και σε προηγούμενα κεφάλαια η πηγή του προβλήματος αποτέλεσε η κατασκευή του αλιευτικού καταφυγίου στην Παραλία Κατερίνης, κατασκευή η οποία ανέκοψε την παράκτια μεταφορά άμμου στην περιοχή. Ουσιαστικά σημειώθηκε προσάμμωση στα κατάντη του αλιευτικού καταφυγίου και σταμάτησε να τροφοδοτείται με αμμώδες υλικό η περιοχή στα ανάντη, με αποτέλεσμα να σημειωθεί έντονη διάβρωση. Διάβρωση η οποία πέρα από την εμφανή περιβαλλοντική υποβάθμιση προκάλεσε σοβαρά προβλήματα στα κτίρια που βρίσκονταν κοντά στην ακτογραμμή. Η λύση που προτείνεται στο πλαίσιο της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι η καθαίρεση του υπάρχοντος αλιευτικού καταφυγίου και η κατασκευή προβλήτας η οποία θα είναι παράλληλη στην ακτογραμμή και θα τοποθετηθεί σε σχετικά μεγάλο βάθος. Η σύνδεση της με την ακτή θα γίνει με τη βοήθεια γέφυρας, η οποία θα εδράζεται σε πασσάλους. Με τον τρόπο αυτό θα μπορούν να εξυπηρετηθούν τα ήδη υπάρχοντα αλιευτικά αλλά και τουριστικά πλοία και ταυτόχρονα δε θα εμποδίζεται η στερεομεταφορά, με αποτέλεσμα να μην παρατηρείται διάβρωση της ακτής. Η κατασκευή θα είναι της παρακάτω μορφής: Εικόνα 6. 1 Θέση έργου και αρχική βυθομετρία Θα ακολουθήσουν τα αποτελέσματα για Ανατολικό, Βορειοανατολικό, Νοτιοανατολικό άνεμο, καθώς και τα αποτελέσματα για τη μακροχρόνια εξέλιξη της μορφολογίας του πυθμένα. 54

63 6.1 Ανατολικός άνεμος (East) Οι μεταβλητές που εισήχθησαν στο πρόγραμμα Harrbour.for για ανατολικό άνεμο είναι: Ηο =1,69 dt = 0,0125 dx = 2,5 per = 6 fin= -0,1 im, jm = 400,1700 tend = 300 slope = 47 Η σχηματική προσομοίωση για το ύψος κύματος προέκυψε από την επεξεργασία του αρχείου height.dat στο Surfer 9 και φαίνεται παρακάτω. Εικόνα 6. 2 Ύψος κύματος για ανατολικό άνεμο 55

64 Οι μεταβλητές που εισήχθησαν στο πρόγραμμα Wave_Cir.for για ανατολικό άνεμο είναι: Ηο = 1,69 dt = 0,0125 dx = 2,5 per = 6 im, jm = 1700,800 nm= Η σχηματική προσομοίωση για την κυματογενή κυκλοφορία προέκυψε από την επεξεργασία του αρχείου vel.dat στο Surfer 9 και φαίνεται παρακάτω. Εικόνα 6. 3 Κυματογενής κυκλοφορία για ανατολικό άνεμο 56

65 6.2 Βορειοανατολικός άνεμος (NorthEast) Οι μεταβλητές που εισήχθησαν στο πρόγραμμα Harrbour.for για βορειοανατολικό άνεμο είναι: Ηο =0,94 dt = 0,0125 dx = 2,5 per = 6 fin= -0,5 im, jm = 400,1700 tend = 300 slope = 47 Η σχηματική προσομοίωση για το ύψος κύματος προέκυψε από την επεξεργασία του αρχείου height.dat στο Surfer 9 και φαίνεται παρακάτω. Εικόνα 6. 4 Ύψος κύματος για βορειοανατολικό άνεμο 57