8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 91 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ - ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΙΖΗΜΑΤΟΓΕΝΕΣΗΣ ΣΤΟΝ ΘΕΡΜΑΪΚΟ ΚΟΛΠΟ Κατερίνα Κομπιάδου και Γιάννης N. Κρεστενίτης Εργαστήριο Θαλάσσιας Τεχνικής και Θαλασσίων Έργων, Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, 54124 Θεσσαλονίκη, ynkrest@civil.auth.gr ΠΕΡΙΛΗΨΗ Αντικείμενο της παρούσας μελέτης είναι η μαθηματική διερεύνηση της διαχρονικής εξέλιξης της ιζηματογένεσης στον Θερμαϊκό Κόλπο λόγω εισροής φερτών υλών από τα ποτάμια που εκρέουν στην περιοχή. Ειδικότερα μελετήθηκε η κίνηση και η απόθεση φερτών υλών προερχόμενων από τον Αξιό, το Λουδία, τον Αλιάκμονα και τον Πηνειό με την χρήση μαθηματικού μοντέλου προσομοίωσης της μεταφοράς και διασποράς σωματιδίων στο θαλάσσιο χώρο. Τα αποτελέσματα της διετούς προσομοίωσης επεξεργάστηκαν κατάλληλα για την εξαγωγή συμπερασμάτων για τις κυρίαρχες μορφές ιζηματογένεσης στον κόλπο με συσχέτιση της θέσης απόθεσης των σωματιδίων και του ποταμού προέλευσης του υλικού. Διαπιστώθηκε από τη διερεύνηση η ύπαρξη μοντέλου για την ιζηματαπόθεση στον κόλπο, αφού βρέθηκε ότι κατά μήκος του δυτικού ορίου αποτίθενται φερτές ύλες από τον Αλιάκμονα και τον Πηνειό, ενώ ο Αξιός φέρεται ως η μόνη πηγή για την ανανέωση υλικών του πυθμένα του εσωτερικού κόλπου. Τέλος έγινε πρόγνωση για το ύψος του ιζήματος στον κόλπο σε χαρακτηριστικές χρονικές στιγμές και εκτιμήθηκαν οι ρυθμοί ιζηματογένεσης σε σχέση τόσο με την προέλευση του υλικού όσο και συνολικά. Λέξεις κλειδιά: ιζηματογένεση, μαθηματικό μοντέλο, ιχνηθέτης, σωματίδια, Θερμαϊκός κόλπος SIMULATION - INVESTIGATION OF THE SEDIMENTATION IN THE THERMAIKOS GULF Katerina Kombiadou and Yiannis N. Krestenitis Laboratory of Maritime Engineering and Maritime Works, Department of Civil Engineering, Aristotle University of Thessaloniki, 54124 Thessaloniki, ynkrest@civil.auth.gr ABSTRACT Subject of the current study is the mathematical investigation of the diachronic evolution of the sedimentation in the Thermaikos Gulf due to the inflow of fine sediment from the rivers discharging into the area. Specifically the movement and deposition of material originating from Axios, Loudias, Aliakmonas and Pinios was studied by the employment of a mathematical model simulating of the advection and diffusion of particles in the marine area. The results of the biennial simulation where adequately handled so as to extract conclusions concerning the pattern of sedimentation in the gulf by interrelating the position of particle deposition and the river of origination of the material. The existence of a pattern of sedimentation has been ascertained by the investigation, since it was found that across the western boundary mater from Aliakmonas and Pinios are deposited, whereas Axios is reported as the sole source of renewal of the benthic material in the inner Thermaikos. Finally prognoses were made for the height of the deposit at characteristic temporal points and the sedimentation rates were estimated with relation to both the origin of the material and as a hole. Keywords: sedimentation, mathematical model, tracer, particles, Thermaikos gulf
92 8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας ΕΙΣΑΓΩΓΗ Για την προσομοίωση χρησιμοποιήθηκε μαθηματικό ομοίωμα της κίνησης σωματιδίων στο θαλάσσιο χώρο, το οποίο εφαρμόστηκε στον ευρύτερο Θερμαϊκό κόλπο για χρονικό διάστημα δύο ετών. Πηγές σωματιδιακού φορτίου αποτέλεσαν τα τέσσερα ποτάμια που εκβάλλουν στον κόλπο (Αξιός, Λουδίας, Αλιάκμονας και Πηνειός). Η διερεύνηση επικεντρώθηκε στις διαδικασίες ανταλλαγής υλικού μεταξύ στήλης και πυθμένα με απώτερο σκοπό την εξακρίβωση ύπαρξης αποθετικών μοτίβων στον κόλπο σε σχέση με την προέλευση των φερτών και τη θέση της ιζηματογένεσης. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ Το μαθηματικό μοντέλο μεταφοράς-διασποράς σωματιδίων που εφαρμόστηκε κατασκευάστηκε με τη μέθοδο του ιχνηθέτη. Τα συνεκτικά φερτά προσομοιώνονται με σωματίδια, κάθε ένα από τα οποία εκφράζει συγκεκριμένη μάζα, τα οποία εισέρχονται στο πεδίο από διάφορες πηγές, η κυριότερη από τις οποίες είναι τα ποτάμια, μεταφέρονται και διασπείρονται από τα θαλάσσια ρεύματα και υφίστανται φυσικές διεργασίες που μεταβάλλουν τα χαρακτηριστικά τους (συσσωμάτωση-διάσπαση, αλλαγή πυκνότητας) [Kombiadou & Krestenitis, 2005],[Savvidis et al., 2001] αλλά και την κατάστασή τους (καθίζηση, απόθεση, επαναιώρηση, στερεοποίηση). Η κίνηση και οι μεταβολές των χαρακτηριστικών και της κατάστασής τους παρακολουθούνται με τον υπολογιστικό χρόνο, ενώ η προέλευση του σωματιδίου αποτελεί προσωπική πληροφορία που φέρει με τη μορφή δείκτη. Η ταχύτητα καθίζησης προσδιορίζεται από την τροποποιημένη εξίσωση του Stokes [Burd & Jackson, 1997] και οι συνθήκες διάτμησης προσομοιώνονται με εφαρμογή τροποποιημένου λογαριθμικού κανόνα για την διατμητική ταχύτητα [Toorman et al., 2000]: U u = + Ri z b = w u z ( ) 1 3 2 1 100 κ τ ρ Για την απόθεση υλικού στον πυθμένα, η κρίσιμη διατμητική ταχύτητα προσδιορίζεται από την ταχύτητα καθίζησης του σωματιδίου [Huthnance et al., 1997]: u = 0.008 5, ws 5 10 m/ s cd u = 0.008 + 0.02 ( log( w ) + 4.3 ), 5 10 < w 5 10 m/ s τ = ρ u, u = 0.028 5, w > 5 10 m/ s 5 4 2 cd s s cr dep w cd cd Η στερεοποίηση κόκκων που έχουν αποτεθεί στον πυθμένα λόγω ιδίου βάρους εκφράζεται με εκθετική σχέση αύξησης της κρίσιμης ταχύτητας επαναιώρησης με το χρόνο μεταξύ των τιμών κρίσιμης τάσης απόθεσης και διάβρωσης πυθμένα: τ τ τ τ nt ( )( ) cr, res = cr, dep + cr, er cr, dep 1e Μετά την πάροδο του χρόνου πλήρους στερεοποίησης το σωματίδιο θεωρείται ότι αποτελεί πλέον νέο ίζημα στη θέση και εξαιρείται των παραπέρα υπολογιστικών βημάτων. Η διάβρωση του θαλάσσιου πυθμένα τέλος ποσοτικοποιείται με εφαρμογή της σχέσης των Parchure και Mehta [Mehta, 1993]: Μ ( ) ε = ε τ τ τ b cr, er cr, er s Το υπολογιστικό πεδίο προέρχεται από το μοντέλο του βορείου Αιγαίου [Pinardi et al., 2000] με καμπυλόγραμμο κάνναβο βήματος διακριτοποίησης στην οριζόντιο dx=dy=1/60 και κατακόρυφο σταθερό βήμα dz=2m. Δεδομένα εισόδου είναι υδροδυναμικά μεγέθη και τιμές φυσικών παραμέτρων που χρησιμοποιήθηκαν και προέκυψαν από την εφαρμογή του POM για το Βόρειο Αιγαίο και τιμές στερεοπαροχών ποταμών και αντίστοιχων χαρακτηριστικών των φερτών. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Στο σχήμα 1α και 1β παρουσιάζονται αντίστοιχα οι χωρικές κατανομές των σωματιδίων που έχουν αποτεθεί στον θαλάσσιο πυθμένα κατά το μέσο και το τέλος της προσομοίωσης. Η χρωματική κωδικοποίηση για την προέλευση των σωματιδίων εικονίζεται στο σχήμα. Μπορεί να
8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 93 Σχήμα 1: Διασπορά των αποτιθεμένων σωματιδίων στον κόλπο ανάλογα με την προέλευσή τους ένα (α) και δύο (β) έτη μετά την έναρξη της προσομοίωσης παρατηρηθεί η εκτεταμένη διασπορά των φερτών του Αξιού, με θέσεις απόθεσης τόσο κατά μήκος των ορίων του πεδίου, αλλά σε μεγάλη έκταση και στον εσωτερικό Θερμαϊκό, όπου εμφανίζονται σχεδόν κατ αποκλειστικότητα. Υλικά προερχόμενα από τον Αλιάκμονα και τον Πηνειό αντίθετα φαίνεται να αποτίθενται κύρια κατά μήκος των δυτικών ακτών του κόλπου, με μικρές ποσότητες ιζηματογένεσης στη θέση Μεγάλο Έμβολο από φερτά του Αλιάκμονα. Λόγω των μικρών παροχών του, ο Λουδίας επηρεάζει σε μικρό βαθμό το ισοζύγιο στερεομεταφοράς στον κόλπο και για το λόγο αυτό εξαιρέθηκε από τις συγκεντρώσεις ιζήματος που εικονίζονται στο σχήμα 2. Και πάλι παρατηρείται το πρότυπο απόθεσης που αναφέρθηκε, ενώ από τις τιμές των συγκεντρώσεων προκύπτει ότι η πλειονότητα των φερτών Αλιάκμονα και Πηνειού αποτίθενται κοντά στις θέσεις των εκβολών, ενώ υλικά του Αξιού παρουσιάζουν μεγαλύτερη Σχήμα 2: Κατανομή της συγκέντρωσης ιζήματος [kg/m 2 ] από τον Αξιό (α), τον Αλιάκμονα (β) και τον Πηνειό (γ) κατά το τέλος της προσομοίωσης
94 8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας διασπορά στον κόλπο, γεγονός που μειώνει τις μέγιστες τιμές συγκεντρώσεων στο ίζημα. Η χωρική κατανομή αυτή του ιζήματος οφείλεται στην γενική κυκλοφορία στον κόλπο του Θερμαϊκού, κατά την οποία επικρατούσα κίνηση είναι αντικυκλωνική, γεγονός που δικαιολογεί την έντονη απόθεση υλικού στις δυτικές ακτές. Οι αποθέσεις του Αξιού στον εσωτερικό Θερμαϊκό αποδίδονται στην κίνηση των νερών κατά τους ψυχρούς μήνες, κατά τους οποίους ενδιάμεσα νερά μεταφέρονται προς τα βορειοανατολικά σχηματίζοντας κυκλώνα, λόγω διαφοράς πυκνοτήτων με υπερκείμενα και υποκείμενα στρώματα που κινούνται προς τα νοτιοδυτικά [Hyder et al., 2002]. Εκτιμήθηκε τέλος ο ρυθμός ιζηματογένεσης στον κόλπο, οι τιμές του οποίου κυμαίνονται από 15mm/y τοπικά στις εκβολές του Αλιάκμονα, 7mm/y στις εκβολές Αξιού και Πηνειού, μέχρι και 0,2mm/y κατά μήκος της δυτικής ακτογραμμής σε μέγιστη απόσταση 1,5-5km από αυτήν. Οι αποθέσεις στον εσωτερικό Θερμαϊκό που υπολογίστηκαν είναι γενικά χαμηλές και βρίσκονται μεταξύ 3mm/y στη θέση Μεγάλο Έμβολο και 0,2mm/y στον εσωτερικό Θερμαϊκό σε απόσταση 2-4km από την ακτογραμμή. Η εκτίμηση για την ιζηματογένεση στο δέλτα του Αξιού είναι σε συμφωνία με τους Anagnostou et al. (1998), οι οποίοι αναφέρουν ρυθμούς 0,6-0,9cm/y. ΣΥΖΗΤΗΣΗ Πρέπει να σημειωθεί η αναγκαιότητα επικαιροποίησης των χρονοσειρών στερεοπαροχών (χρησιμοποιήθηκαν μετρήσεις του 1997) των ποταμών με δεδομένα που περιγράφουν την παρούσα κατάσταση και συσχέτιση των διαδικασιών απόθεσης-στερεοποίησης και διάβρωσης πυθμένα, ούτως ώστε να μελετηθεί το πραγματικό ισοζύγιο φερτών στον κόλπο. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Από τα παραπάνω διαπιστώνεται η ύπαρξη κυρίαρχου μοντέλου για την ιζηματογένεση στον Κόλπο του Θερμαϊκού σε σχέση με την προέλευση του υλικού. Έτσι δημιουργία ιζήματος στον εσωτερικό Θερμαϊκό πραγματοποιείται αποκλειστικά σχεδόν λόγω στερεοπαροχών του Αξιού και δευτερογενώς του Λουδία, ενώ φερτές ύλες από τον Αλιάκμονα και τον Πηνειό αποτίθενται κατά μήκος του δυτικού ορίου του κόλπου λόγω της κυρίαρχης αντικυκλωνικής κυκλοφορίας, με μικρής έκτασης αποθέσεις στη θέση Μεγάλο Έμβολο υλικών του Αλιάκμονα. Η ιζηματαπόθεση στο όριο μεταξύ εξωτερικού και ευρύτερου Θερμαϊκού εκτιμήθηκε κατά μέγιστο στα 0,5mm το έτος. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ANAGNOSTOU, C., KABERI, E., KARA- GEORGIS, A., KONTOGIANNIS, H., KRASSAKOPOULOU, E., PAGOU, K., PAVLIDOU, A. & STAVRAKAKIS, S. 1998. Matter transfer in a land-shelf basin system: NW Aegean area-mediterranean Sea. Proceedings of the international Workshop on Environmental Biochemistry, New Delhi Burd, A., Jackson, G., 1997. Prediction particle coagulation and sedimentation rates for a pulsed input. Journal of Geophysical Research, 102 (C5): 10545-10610 Kombiadou, K. & Krestenitis, Y. 2005 Mathematical Simulation of Pollutant Transport in Marine Environment. Proceedings of the 9 th International Conference on Environmental Science and Tecnology, Rhode Island, Greece: B425-430 Metha, A. 1993. Hydraulic Behaviour of fine sediment. Coastal, Estuarial and harbour engineer s reference book, Abott & Price Pinardi, N., Auclair, F., Zavatarelli, M. 2000. Nesting boundary conditions in MFSPP regional/shelf modelling. Internal MFSPP report. Bologna. Savvidis, Y., Koutitas, C. & Krestenitis, Y. 2001. Development and application
8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 95 of a three dimensional cohesive sediment transport mathematical model.. Journal of Marine Environmental Engineering, Vol. 6: 229-255 Toorman, E., Bruens, A., Kranenburg, C. & Winterwerp, J. 2000. Interaction of suspended cohesive sediment and turbulence. Proceedings INTERCOH Hyder, P., Simpson, J., Christopoulos, S., Krestenitis, Y. 2002. The seasonal cycles of stratification and circulation in the Thermaikos Gulf Region Of Freshwater Influence (ROFI), north-west Aegean, Continental Shelf Research 22: 2573 2597