8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 37 Η ΥΔΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΣΥΜΒΟΛΗ ΣΤΗΝ ΕΞΑΠΛΩΣΗ ΕΠΙΒΛΑΒΟΥΣ ΑΝΘΗΣΗΣ ΦΥΚΩΝ ΣΤΟ ΘΕΡΜΑΪΚΟ ΚΟΛΠΟ I. Γ. Σαββίδης 1 και Χ. Γ. Κουτίτας 2 1 Τμήμα Τεχνολογίας Αλιείας και Υδατοκαλλιεργειών, Α.Τ.Ε.Ι.Θ., N.Μουδανιά Χαλκιδικής, Ελλάδα 2 Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών. Α.Π.Θ., 54006 Θεσσαλονίκη, Ελλάδα savvidis@civil.auth.gr ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα εργασία εξετάζεται η εξάπλωση, λόγω της υδροδυναμικής των αιωρούμενων επιβλαβών φυκών, μετά από ένα επεισόδιο φυτοπλαγκτονικής άνθισης στον Θερμαϊκό Κόλπο, με τη βοήθεια μαθηματικής προσομοίωσης. Τα απαραίτητα υδροδυναμικά στοιχεία στη λεκάνη υπολογίζονται με την εφαρμογή ενός δισδιάστατου, μέσου κατά το βάθος, υδροδυναμικού μοντέλου πλήρως συζευγμένου με ένα δισδιάστατο μοντέλο μεταφοράς για την προσομοίωση της τύχης των επιβλαβών κυττάρων. Στην μαθηματική προσέγγιση περιγράφονται οι υδροδυναμικές-μηχανικές διαδικασίες μεταφοράς και διασποράς ενώ βιολογικές διεργασίες δεν συμπεριλαμβάνονται. Ο περιβαλλοντικός και επιχειρησιακός στόχος της μαθηματικής προσομοίωσης εκπληρώνεται με τον προσδιορισμό της κατανομής συγκεντρώσεων των επιβλαβών ανθήσεων φυκών στην λεκάνη του Θερμαϊκού και την εκτίμηση της υδροδυναμικής συμβολής στην εξάπλωσή τους. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων, είναι πολύ κοντά σε τιμές που έχουν καταγραφεί στο πεδίο και δημοσιευθεί στη διεθνή επιστημονική κοινότητα, και συμφωνούν με επιστημονικές εκτιμήσεις σχετικά με τη δυναμική του φυτοπλαγκτόν, υποδηλώνοντας ότι η τύχη των τοξικών κυττάρων που εμφανίζονται σε επεισόδια φυτοπλαγκτονικής άνθησης καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από μηχανικές διεργασίες μεταφοράς και διάχυσης. Λέξεις κλειδιά: φυτοπλαγκτονική άνθηση, υδροδυναμική, διασπορά, αριθμητική προσομοίωση HYDRODYNAMIC CONTRIBUTION TO THE SPREADING OF HARMFUL ALGAL BLOOM IN THERMAIKOS GULF Υ. G. Savvidis 1 and C. G. Koutitas 2 1 Department of Fisheries and Aquaculture Technology, Α.Τ.Ε.Ι.TH., N. Moudania, 2 Department of Civil Engineering A.U.TH., 54006 Thessaloniki, savvidis@civil.auth.gr ABSTRACT The spreading of suspended harmful algal due to the hydrodynamics, after an episode of a phytoplankton bloom in Thermaikos Gulf is examined with the help of mathematical modelling. The necessary hydrodynamic data over the bay was obtained by the application of a two-dimensional, depth averaged, hydrodynamic model directly coupled with a two-dimensional, transport model for the simulation of the fate of the harmful phytoplankton cells. The modeling approach describes hydrodynamic mechanical proccesses of transport and dispersion while biological processes are not included. The environmental and operational scope of the model is fulfilled by detecting the distribution of the harmful phytoplankton concentrations in the Thermaikos basin and the estimation of the hydrodynamic contribution to its spreading. The results of the simulations are very close to reported values from field measurements, published to the international scientific community and agree with scientific estimations regarding the phytoplankton dynamics, suggesting that the fate of toxic cells released during an algal bloom episode are mainly determined by mechanical processes of advection and diffusion. Key words: phytoplankton bloom, hydrodynamics, dispersion, numerical modeling
38 8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η διασπορά ύλης, οργανικής και ανόργανης, σε μια παράκτια λεκάνη συνδέεται άμεσα με την κυκλοφορία των υδάτινων μαζών. Το φυτοπλαγκτόν εκτός από την οριζόντια μεταφορά, μετακινείται και κατακόρυφα στη στήλη, όμως κατά κύριο λόγο παραμένει αιωρούμενο στην υδάτινη στήλη. Ο στόχος της εργασίας είναι να παρουσιαστεί μια μεθοδολογική προσέγγιση, για τη μελέτη της διασποράς των επιβλαβών κυττάρων μετά από την εμφάνιση άνθησης/πληθυσμιακής έκρηξης στο Θερμαϊκό κόλπο και να εξεταστεί ο βαθμός στον οποίο οι μηχανικές διεργασίες διασποράς των τοξικών κυττάρων της άνθισης που περιγράφονται στην προσομοίωση επηρεάζουν την τύχη της τοξικής ύλης. Ως ειδική περίπτωση εφαρμογής, μελετήθηκε η διασπορά των δινοφυκών που καταγράφηκαν στο Θερμαϊκό κόλπο μετά από ένα φαινόμενο άνθισης που έλαβε χώρα στον εσωτερικό Θερμαϊκό κατά τη διάρκεια του Ιανουαρίου του έτους 2000 (Koukaras and Nikolaidis, 2004). Η υδάτινη λεκάνη του Θερμαϊκού απεικονίζεται στο σχήμα 1. Η θέση Α είναι αυτή όπου καταγράφηκαν συγκεντρώσεις επιβλαβών κυττάρων των δινοφυκών στις 10 Ιανουαρίου, ενώ το σημείο Β αναφέρε- ται στη θέση όπου καταγράφηκαν συγκεντρώσεις στο τέλος του μήνα. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ Η παρούσα μελέτη βασίζεται στην εφαρμογή μαθηματικών προσομοιώσεων. Ειδικότερα, δομήθηκε και εφαρμόστηκε ένα δισδιάστατο, μέσο κατά το βάθος μαθηματικό ομοίωμα, το οποίο αποτελείται από ένα υδροδυναμικό μοντέλο πλήρως συζευγμένο με ένα μοντέλο μεταφοράς. Στο υδροδυναμικό μοντέλο χρησιμοποιούνται οι εξισώσεις διατήρησης ορμής και μάζας για την περιγραφή της υδροδυναμικής κυκλοφορίας (Koutitas 1988, Savvidis et al. 2005). Το πεδίο των ταχυτήτων ροής του νερού, το οποίο λαμβάνεται από το πρώτο τμήμα του ομοιώματος που αφορά το υδροδυναμικό μοντέλο, χρησιμοποιείται στη συνέχεια για την προσομοίωση της μεταφοράς της ύλης. Η προσομοίωση της μεταφοράς είναι βασισμένη στη μέθοδο ιχνηλάτη (Dimou and Adams 1993, Savvidis and Koutitas 2000, Savvidis et al. 2001). Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή, μεγάλος αριθμός σωματιδίων, που αντιπροσωπεύει συγκεκριμένη μάζα, εισάγεται στο πεδίο ροής μέσω μιας πηγής. Στην παρούσα εφαρμογή χρησιμοποιήθηκαν10000 30 Θερµαϊκός Κόλπος 25 1 km 20 15 B A 10 5 5 10 15 20 25 30 35 Σχήμα 1. Η υπό μελέτη λεκάνη του Θερμαϊκού και οι θέσεις Α και Β με καταγεγραμμένες μετρήσεις πεδίου
8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 39 Σχήμα 2. Η κατανομή (α) των σωματιδίων και (β) των συγκεντρώσεων στη λεκάνη, 3 εβδομάδες μετά την πληθυσμιακή έκρηξη στη θέση Α. σωματίδια. Η θέση της πηγής καθορίζεται από την περιοχή στην οποία έχει καταγραφεί ένα από τα σημαντικότερα επεισόδια φυτοπλαγκτονικής άνθησης συνοδευόμενο με την εμφάνιση τοξικών δινοφυκών (Koukaras and Nikolaidis 2004). Η μεταφορά και η τύχη των σωματιδίων παρακολουθείται στο χρόνο. Οι συγκεντρώσεις της μεταφερόμενης ύλης, υπολογίζονται από τον αριθμό των σωματιδίων που βρίσκονται σε κάθε βρόχο. Το αποτέλεσμα που προκύπτει από την εφαρμογή της μαθηματικής προσομοίωσης είναι η χωρική και χρονική κατανομή του αιωρούμενου υλικού. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Τα πιο έντονα φαινόμενα άνθισης δινοφυκών, με συγκεντρώσεις των 10 4-10 5 κύτταρα/λίτρο καταγράφονται στο βορειοανατολικό και στο βορειοδυτικό Θερμαϊκό κόλπο, ενώ στην εργασία γίνεται εφαρμογή της προσομοίωσης για την εμφάνιση της τοξικής ύλης στο βορειοανατολικό εσωτερικό Θερμαϊκό, θέση Α, όπως φαίνεται στο σχήμα 1. Οι συγκεντρώσεις αυτές αποτελούν ένα πολύ μικρό ποσοστό (~3%) της συνολικής συγκέντρωσης του φυτοπλαγκτόν. Τα αριθμητικά πειράματα έγιναν για την περίοδο του Ιανουαρίου του έτους 2000, και για ανεμολογικά δεδομένα της περιόδου, με επικράτηση των ανέμων με κύριες βόρειες συνιστώσες, χαρακτηριστική κατάσταση χειμερινής περιόδου στη λεκάνη του Θερμαϊκού κόλπου. Η επίδραση της παλίρροιας στη γενική μορφή της διασποράς, είναι αμελητέα, αφού, αφενός μεν το παλιρροιακό σήμα είναι μικρό και αφετέρου τα παραμένοντα ρεύματα λόγω παλίρροιας είναι αμελητέα. Η χρονοσειρά των ανεμολογικών στοιχείων καταγράφηκε από μετρητικό σταθμό του Ινστιτούτου Δασικών Ερευνών στην περιοχή Σάνη Χαλκιδικής και αφορούν την περίοδο Ιανουαρίου 2000. Το μοντέλο εφαρμόστηκε λαμβάνοντας υπόψη ως σημειακή πηγή ρύπανσης τη θέση Α, και στιγμιαία εκροή μάζας κατά την οποία εμφανίστηκαν μεγάλες συγκεντρώσεις των τοξικών δινοφυκών. Τα αποτελέσματα του μοντέλου όσον αφορά τη χωρική κατανομή των επιβλαβών κυττάρων 3 εβδομάδες (τέλη Ιανουαρίου) μετά την εντονότερη εμφάνιση του φαινομένου (10 Ιανουαρίου), δίνονται στο σχήμα 2. Αριστερά δίνεται η κατανομή των σωματιδίων-τοξικών κυττάρων στην υδάτινη στήλη, ενώ δεξιά δίνεται ποσοτικά η κατανομή των συγκεντρώσεων. Σύμφωνα με τα σχήματα 2 φαίνεται ότι 20 ημέρες μετά από την εμφάνιση άνθισης στα βορειοανατολικά του εσωτερικού Θερμαϊκού με συγκεντρώσεις 57000 κύτ./λίτρο (10000 σωμα-
40 8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας τίδια) και με την επίδραση ανέμου βόρειας κυρίως κατεύθυνσης, ο κύριος όγκος εξαπλώνεται στις ανατολικές ακτές του εσωτερικού Θερμαϊκού, ενώ μικρότερη ποσότητα των επιβλαβών κυττάρων μεταφέρεται προς τις δυτικές ακτές του Θερμαϊκού. Η ποσότητα αυτή για την περιοχή ανατολικά των εκβολών του ποταμού Αλιάκμονα (θέση Β σχήμα 1) φτάνει τιμές συγκέντρωσης 200 κύτ./λίτρο. Οι τιμές του μοντέλου πλησιάζουν πολύ τις τιμές δημοσιευμένων αποτελεσμάτων από μετρήσεις πεδίου (Koukaras & Nikolaidis 2004), σύμφωνα με τα οποία στη συγκεκριμένη θέση η συγκέντρωση των τοξικής ύλης ξεπερνά τα 200 κύτ./λίτρο (Πίνακας Ι). (Koukaras & Nikolaidis, 2004). Ειδικότερα, τα αποτελέσματα του μοντέλου έδειξαν ότι, μετά από ένα φαινόμενο άνθισης στις βορειοανατολικές ακτές του Θερμαϊκού, ποσότητες των δινοφυκών, εξαπλώνονται στον εσωτερικό κυρίως κόλπο με συγκεντρώσεις της τοξικής ύλης να φτάνουν στα δυτικά του κόλπου, όπου βρίσκονται εκτάσεις μυδοκαλλιεργειών, καθώς επίσης και βόρεια, κατά μήκος της παραλίας της Θεσσαλονίκης. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης είναι κοντά σε μετρήσεις που καταγράφηκαν στο πεδίο, ανατολικά των εκβολών του Αλιάκμονα και επιβεβαιώνουν την επιχειρησιακή αξία της μεθοδολογικής προσέγγισης (μαθηματική συγκέντρωση σε κύτταρα / λίτρο Μετρήσεις πεδίου Αποτελέσματα μοντέλου θέση Α πληθυσμιακής έκρηξης 57000 κύτ./λίτρο σημειακή πηγή στο μοντέλο (στην έναρξη του φαινομένου) θέση B ανατολικά των εκβολών του Αλιάκμονα (20 μέρες μετά την έναρξη του φαινομένου) >200 κύτ./λίτρο ~150-250 κύτ./λίτρο Η εφαρμογή του μοντέλου για το συγκεκριμένο επεισόδιο οδηγεί σε τιμές των 50-150 κύτ./λίτρο στην περιοχή των μυδοκαλλιεργειών στις δυτικές ακτές του κόλπου. Η διασπορά των τοξικών κυττάρων για την εμφάνιση του επεισοδίου στη θέση (Α) βορειοανατολικά του Θερμαϊκού και κατά την χρονική περίοδο του Ιανουαρίου 2000, φαίνεται να συμβαίνει εντονότερα στις ανατολικές ακτές του εσωτερικού Θερμαϊκού, βόρεια του Μεγάλου εμβόλου, με συγκεντρώσεις ~400 κύτ./λίτρο, ενώ προς την παραλία της Θεσσαλονίκης οι τιμές είναι 50-100 κύτ./λίτρο. ΣΥΖΗΤΗΣΗ Η εφαρμογή στην παρούσα εργασία βασίστηκε στις εκτιμήσεις σχετικής έρευνας, ότι ανθίσεις δινοφυκών παρατηρήθηκαν τοπικά, κυρίως στον εσωτερικό Θερμαϊκό κόλπο, και μετά από την παρέλευση κάποιου χρόνου η τοξική μάζα μεταφέρθηκε με την υδροδυναμική της λεκάνης μοντελοποίηση). Οπωσδήποτε, η εφαρμογή τρισδιάστατων μαθηματικών ομοιωμάτων και η παραμετροποίηση βιολογικών διεργασιών, εξασφαλίζει μια λεπτομερέστερη μελέτη του φαινομένου, όταν πρέπει να λαμβάνονται υπόψη η κατακόρυφη διάσταση αλλά και συνθήκες στρωμάτωσης που μπορεί να χαρακτηρίζουν τη στήλη, σε συνδυασμό με τις θερμοαλατικές παραμέτρους του νερού. Από την άλλη πλευρά, η χρήση δισδιάστατων μοντέλων που περιγράφουν τις μηχανικές διαδικασίες διασποράς της ύλης μπορεί να δώσει επαρκή πληροφόρηση, ειδικά όταν πρόκειται για παράκτιες λεκάνες μικρού βάθους και ομογενοποιημένη υδάτινη στήλη. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η προσέγγιση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης στις τιμές μετρήσεων πεδίου αποκαλύπτει το σημαντικό ρόλο που παίζουν οι μηχανικές διεργασίες στη μεταφορά και διασπορά του
8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 41 τοξικού υλικού της φυτοπλαγκτονικής άνθισης. Από την παρούσα εφαρμογή προκύπτει ότι μετά από ένα επεισόδιο άνθισης στις βορειοανατολικές ακτές του Θερμαϊκού και με επικρατούσες συνθήκες βόρειων ανέμων, μέτριας έντασης, ο κύριος όγκος των επιβλαβών φυτοπλαγκτονικών κυττάρων περιορίζεται στον εσωτερικό Θερμαϊκό. Με την εμφάνιση τέτοιων επεισοδίων στο Θερμαϊκό και τις ανεμολογικές συνθήκες που επικρατούν σε κάθε περίοδο, μπορεί να διερευνηθεί κάθε περίπτωση που αφορά την εξάπλωση τοξικών κυττάρων στην ευρύτερη λεκάνη του κόλπου, αλλά και σε κάθε παράκτια λεκάνη με γνωστά χαρακτηριστικά, έτσι ώστε να λαμβάνονται άμεσα τα απαραίτητα μέτρα πρόληψης. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θερμές ευχαριστίες στον Δρ. Αλέξανδρο Τσιώντση, Ερευνητή του Ινστιτούτου Δασικών Ερευνών για την διάθεση των ανεμολογικών δεδομένων. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ DIMOU K. N. AND E. E. ADAMS (1993). A Random-walk, Parti cle Tracking model for Well-mixed Estuaries and Coastal Waters, Estuarine, Coastal and Shelf Science, Vol. 33, pp. 99-110, KOUKARAS, K., NIKOLAIDIS G. (2004). Dinophysis blooms in Greek coastal waters (Thermaikos Gulf, NW Aegean Sea), Journal of Plankton Research 26 (4): 445-457 APR 2004 KOUTITAS, C. (1988), Mathematicall models in Coastal Engineering, Pentech Press Limited, London (UK) SAVVIDIS, C. KOUTITAS &Y. KRESTENI- TIS, (2001). Development and application of a three dimensional cohesive sediment transport mathematical model. Journal of Marine Environmental Engineering, Vol. 6, pp. 229-255 SAVVIDIS, Y. & C. KOUTITAS, (2000) Simulation of transport & fate of suspended matter along the coast of Agathou- polis (N. Greece), Proc. of the 5th Int. Conference: Protection and Restoration of the Environment, Thasos, Greece SAVVIDIS, Y. G, Y. N. KRESTENITIS AND C. G. KOUTITAS, (2005) Modeling the water mass exchange through navigational channels connecting adjacent coastal basins. Application to the Channel of Potidea (North Aegean Sea), Annales Geophysicae, Vol. 23, Number 2, pp. 231-238