ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΩΝ ΜΕΤΑΒΟΛΩΝ ΣΤΗΝ ΜΟΡΦΗ ΤΗΣ ΥΔΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑΣ ΚΑΙ ΣΤΗΝ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΩΝ ΣΤΕΡΕΩΝ ΣΤΟΝ ΔΙΑΥΛΟ ΘΑΣΟΥ ΩΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ ΤΗΣ ΦΡΑΓΜΑΤΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΟΥ Π. ΝΕΣΤΟΥ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΟΜΟΙΩΜΑΤΟΣ ELCOM Αναστασίου Σ., Συλαίος Γ. Εργαστήριο Οικολογικής Μηχανικής & Τεχνολογίας Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος Πολυτεχνική Σχολή - Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης, 67100 Ξάνθη, sotiriaanastasiou@yahoo.com, gsylaios@env.duth.gr ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η περιοχή μελέτης χαρακτηρίζεται από έντονα φαινόμενα διάβρωσης τα οποία εμφανίσθηκαν μετά την φραγματοποίηση του π. Νέστου λόγω της επακόλουθης μείωσης των ποσοτήτων φερτών υλών που τροφοδοτούν την παράκτια ζώνη. Οι διαφορές στα χαρακτηριστικά της υδροδυναμικής κυκλοφορίας και στις συγκεντρώσεις αιωρούμενων στερεών που προέρχονται από τα εκρέοντα ύδατα του π. Νέστου προσομοιώνονται με την βοήθεια του υδροδυναμικού ομοιώματος ELCOM το οποίο εφαρμόσθηκε για τις συνθήκες πριν και μετά την φραγματοποίηση. Έγινε επαλήθευση του ομοιώματος βάσει μετρήσεων του σταθμού «Τρίτων» και ακολούθως σύγκριση των αποτελεσμάτων μεταξύ των δύο περιπτώσεων. Όπως προέκυψε, ο μειωμένος ρυθμός εκροής επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό τις ταχύτητες και τις διευθύνσεις των παράκτιων ρευμάτων καθώς και την κατανομή της συγκέντρωσης φερτών σε όλο το εύρος του Διαύλου. SIMULATION OF THE HYDRODYNAMIC CIRCULATION AND SUSPENDED PARTICULAR MATTER CONCENTRATION CHANGES IN THASOS PASSAGE DUE TO NESTOS RIVER DAMMING ELCOM MODEL IMPLEMENTATION Anastasiou S., Sylaios G. Laboratory of Ecological Engineering and Technology Department of Environmental Engineering Democritus University of Thrace, 67100 Xanthi, sotiriaanastasiou@yahoo.com, gsylaios@env.duth.gr ABSTRACTS The study area is characterized by intense erosion rates observed after the damming of Nestos River, resulting from the significant reduction in river discharge and SPM fluxes. The variations in the hydrodynamic circulation characteristics and the SPM concentration, related to the river outflow decrease were simulated with the implementation of the ELCOM model for the physical conditions before and after the damming. The model was validated based on the data collected by the Triton station and model s results were compared for the pre- and post-damming cases. The results suggest a strong influence of the decreased river outflow rates on the currents velocity and direction characteristics as well as on the distribution of the suspended sediments concentration range in the entire study area. 1
1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η μορφή που λαμβάνει το πλούμιο στα παράκτια συστήματα και η επιρροή του στην παράκτια κυκλοφορία έχει αναλυθεί σε πολλές περιπτώσεις ιδιαίτερα σε συστήματα μεγάλων ποταμών οι οποίοι έχουν φραγματοποιηθεί [1-2]. Η διαφορά πυκνότητας μεταξύ των μαζών γλυκού και αλμυρού νερού σε γενικές γραμμές θεωρείται μία από τις πιο βασικές κινητήριες δυνάμεις που συντελούν στην διαμόρφωση της υδροδυναμικής κυκλοφορίας των παράκτιων περιοχών [3-6] σε συνδυασμό με την επίδραση του ανεμολογικού πεδίου και των διατμητικών τάσεων [7-9]. Σε όλες τις περιπτώσεις διαπιστώθηκε ότι οι παραπάνω παράγοντες καθορίζουν και την ποσότητα κινητικής ενέργειας με την οποία η σφήνα του ποτάμιου νερού συνεχίζει να κινείται μέσα στο αλμυρό. Υπό την επίδραση των γεωστροφικών δυνάμεων η κίνηση του πλουμίου, ιδιαίτερα σε «κλειστές» θαλάσσιες περιοχές, κάποιες φορές έχει ως αποτέλεσμα και την εμφάνιση αντικυκλωνικών ή κυκλωνικών κινήσεων σε αρκετή απόσταση από το παράλληλο στην ακτογραμμή ρεύμα που δημιουργείται από την είσοδο των γλυκών νερών στην παράκτια ζώνη [10]. Η εφαρμογή των μαθηματικών υδροδυναμικών ομοιωμάτων έχει αποδειχθεί ότι αποτελεί σημαντικό εργαλείο στην διερεύνηση των μεταβολών στα χαρακτηριστικά της υδροδυναμικής κυκλοφορίας σε περιοχές όπου είναι έντονη η ανθρώπινη παρέμβαση. 2. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ 2.1. Περιοχή μελέτης Η περιοχή μελέτης βρίσκεται στο Θρακικό Πέλαγος στην βόρεια Ελλάδα ανάμεσα στο νησί της Θάσου και την ακτογραμμή που εκτείνεται από την εκβολές του π. Νέστου έως τις αποθέσεις άμμου δυτικά της πόλης της Κεραμωτής (εικ. 1). Στο μέσο περίπου της περιοχής υπάρχει το νησί της Θασοπούλας με εμβαδό 720.000 m 2 και απέναντί του η πόλη της Κεραμωτής, εγκατεστημένη πάνω στην αμμόγλωσσα. Η ευρύτερη περιοχή περιγράφεται ως «Δίαυλος Θάσου» (Thassos Passage). Εικόνα 11: Περιοχή μελέτης. Το μέγιστο βάθος κυμαίνεται στα 54 m και βρίσκεται στο νοτιοανατολικό άκρο της περιοχής μελέτης. Ο πυθμένας έχει μικρή κλίση στο μεγαλύτερο μέρος και παρουσιάζει σημεία ρήχωσης γύρω από τις αποθέσεις δυτικά, όπου και εμφανίζεται το σύστημα λιμνοθαλασσών του δέλτα. Η εναερία καθώς και η υποθαλάσσια παραλία παρουσιάζει πολύ χαμηλή κλίση σε 2
όλο το μήκος της καθώς εκτείνεται σε πλάτος από 300 m έως 400 m με βαθυμετρία κάτω των 10 m, ενώ φτάνει και τα 900 m πλάτος στο στόμιο του π. Νέστου. Σημαντικό ρόλο σε αυτήν παίζει και η εκροή των μαζών γλυκού νερού από τον π. Νέστο ο οποίος αποτελεί ένα οικοσύστημα με τεράστια σημασία όχι μόνο για την Ελλάδα, αλλά για όλη την περιοχή των Βαλκανίων. Οι εκβολές του θεωρούνται, μια περιοχή μεγάλης οικολογικής σπουδαιότητας η οποία προστατεύεται από τη Συνθήκη Ramsar. Ολόκληρη η παράκτια περιοχή χαρακτηρίζεται από έντονα φαινόμενα διάβρωσης, λόγω της επί πενήντα χρόνια 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 (εικ. 2). Η κατασκευή τους ξεκίνησε για το πρώτο την δεκαετία του 60 ενώ τα δύο επόμενα τέθηκαν σε πλήρη λειτουργία το 1998-99. Εικόνα 2: Φράγματα στην ελληνική υπό λεκάνη του π. Νέστου. Η ροή του ποταμού πλέον ελέγχεται με τέτοιο τρόπο ώστε να μπορεί να ικανοποιήσει τις ανάγκες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και άρδευσης, με αποτέλεσμα ο κύκλος των ετήσιων μεταβολών μεταξύ υγρής και ξηρής περιόδου να μην αντιστοιχεί στον φυσικό. Στα πλαίσια αριθμητικής προσομοίωσης που πραγματοποιήθηκε για τις ανάγκες της μελέτης Beachmed-e (2008), το ετήσιο στερεοφορτίο πριν την κατασκευή των φραγμάτων στην έξοδο του ποταμού Νέστου είχε μια μέση τιμή περίπου 1.82 10 6 tn/yr, το οποίο μειώθηκε (μετά την κατασκευή των φραγμάτων) σε μόλις 0.33 10 6 tn/yr [11 12]. 2.2. Περιγραφή μοντέλου προσομοίωσης υδροδυναμικής κυκλοφορίας ELCOM Για την προσομοίωση της παράκτιας κυκλοφορίας στην περιοχή μελέτης χρησιμοποιήθηκε το υδροδυναμικό τρισδιάστατο μοντέλο ELCOM (Estuary, Lake and Coastal Ocean Model), το οποίο έχει αναπτυχθεί από το Center for Water Research του Πανεπιστημίου της Δυτικής Αυστραλίας [13]. Το μοντέλο αποτελεί μέρος του τρισδιάστατου μοντέλου ποιότητας νερού CAEDYM. Το μοντέλο επιλύεται για τις τρείς διαστάσεις του χώρου σε καρτεσιανό σύστημα αναφοράς. Οι θεμελιώδεις εξισώσεις διακριτοποιούνται σε ένα καρτεσιανό ορθογώνιο πλέγμα, όπου οι συνιστώσες της ταχύτητας υπολογίζονται στα πλευρά των κελιών, ενώ τα βαθμωτά μεγέθη στο κέντρο. 3
Οι εξισώσεις μεταφοράς είναι οι μη μόνιμες, μέσες χρονικά εξισώσεις Navier-Stokes (εξισώσεις Reynolds), με χρήση της υπόθεσης Boussinesq και θεωρώντας αμελητέους τους μη υδροστατικούς όρους. Το τυρβώδες ιξώδες θεωρείται σταθερό σε όλο το πεδίο ροής, ενώ στην κατακόρυφη διεύθυνση το κλείσιμο της τύρβης επιτυγχάνεται μέσω ενός ενεργειακού μοντέλου ανάμειξης στρωμάτων. Η εξέλιξη της στάθμης της ελεύθερης επιφάνειας προκύπτει από την ολοκλήρωση κατά την κατακόρυφο της εξίσωσης της συνέχειας του ρευστού, το οποίο θεωρείται ασυμπίεστο για όλο το ύψος της υδάτινης στήλης, με εφαρμογή της κινηματικής οριακής συνθήκης [14]. Λαμβάνεται επίσης υπόψη η επίδραση του ανέμου στην ορμή του ανώτερου στρώματος, και η θέρμανση/ψύξη του, μέσω της ανταλλαγής θερμότητας με την ατμόσφαιρα. Για την επίδραση των υδάτινων μαζών, όπως η παρουσία ποταμών σε παράκτια περιοχή, εισάγονται δεδομένα παροχών, θερμοκρασίας και αλατότητας καθώς και μεταβολές του ύψους της ελεύθερης στάθμης στα όρια της περιοχής. Το μοντέλο προσομοιώνει εκτός της κυκλοφορίας των ρευμάτων και τις χρονικές και χωρικές διακυμάνσεις παραμέτρων όπως της αλατότητας, της θερμοκρασίας και της συγκέντρωσης διαφόρων ρυπαντών και ιχνηθετών. Τέλος ο χρήστης μπορεί να παρέμβει και να αλλάξει διάφορους συντελεστές όπως αυτούς της τυρβώδους διάχυσης. Το ομοίωμα υδροδυναμικής κυκλοφορίας ELCOM την τελευταία δεκαετία έχει εφαρμοσθεί σε υδάτινα περιβάλλοντα με πολύ διαφορετικά χαρακτηριστικά, συμπεριλαμβανομένων μεγάλων λιμνών [15], ενώ σε περιοχές στενών έχει δώσει ικανοποιητικά αποτελέσματα είτε αυτές αφορούν περιπτώσεις παρόμοιες με την περιοχή μελέτης [16], είτε σε μεγαλύτερου εύρους περιοχές όπως στην περίπτωση των Στενών των Δαρδανελίων [17-18]. 2.3. Εφαρμογή μοντέλου υδροδυναμικής κυκλοφορίας ELCOM Για την διερεύνηση και την καλύτερη κατανόηση της επίδρασης της μείωσης του όγκου απορροής και της συγκέντρωσης των φερτών στα νερά του ποταμού λόγω της κατασκευής των φραγμάτων στην περιοχή μελέτης, έγινε εφαρμογή του μοντέλου προσομοίωσης ELCOM. Το μοντέλο εφαρμόσθηκε για χρονική περίοδο 1/12/2007 17/12/2007 κατά την οποία παρουσιάζονται μερικές από τις μέγιστες ετήσιες διακυμάνσεις της ελεύθερης στάθμης (spring tides) και τα πιο έντονα καιρικά φαινόμενα για την περίοδο 2007-2008, με αντίστοιχα μέγιστες τιμές ταχύτητας ανέμου 11,5 m/s. Η χρονική αυτή περίοδος επιλέχθηκε βάσει των αποτελεσμάτων της επεξεργασίας των μετρήσεων του σταθμού του «Τρίτωνα» που αφορούσαν όλες τις κυματικές και υδροδυναμικές παραμέτρους, όπως αυτές κατεγράφησαν για το χρονικό διάστημα 7/2007 5/2008 [19]. Ο κάναβος του υπολογιστικού πεδίου αποτελούνταν από 96 x 119 κελιά με μήκος πλευράς 200 m ενώ η κατακόρυφη διεύθυνση διακριτοποιήθηκε σε 16 επίπεδα σταδιακά μεγαλύτερου εύρους. Τα μετεωρολογικά δεδομένα εισαγωγής στο ομοίωμα αφορούσαν τον άνεμο, τον υετό, την νεφοκάλυψη, την ατμοσφαιρική πίεση, την ατμοσφαιρική θερμοκρασία και τη προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία. Για τις παραπάνω παραμέτρους χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα προερχόμενα από τον ιστότοπο του ΝΟΑΑ. Τα δεδομένα θερμοκρασίας, παροχής και συγκέντρωσης αιωρούμενων στερεών (SPM) του ποταμού Νέστου προέρχονται από μετρήσεις που έγιναν στη περιοχή μελέτης κατά την ίδια χρονική περίοδο [20], ενώ η αλατότητα του εκρέοντας 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 την χρήση μίας συσκευής CTD. Τα ύψη της στάθμης της θάλασσας στα τρία ανοικτά όρια του πλέγματος προήλθαν από προηγούμενη εφαρμογή του ELCOM για την ίδια χρονική περίοδο που αφορούσε στην προσομοίωση ρευμάτων στην ευρύτερη περιοχή του Βορείου Αιγαίου, συμπεριλαμβανομένης 4
και της επίδρασης του στενού των Δαρδανελίων στην κυκλοφορία της περιοχής, με βήμα χρόνου 5 ωρών [21]. Στη συνέχεια το μοντέλο εφαρμόσθηκε ξανά διατηρώντας ίδια τα δεδομένα εισαγωγής εκτός της παροχής του Νέστου και της συγκέντρωσης των αιωρούμενων στερεών στα νερά του ποτάμιου δέλτα. Σε ότι αφορά στην εκροή διπλασιάσθηκε, ώστε να είναι παρόμοια με αυτή που εμφάνιζε η περιοχή πριν την κατασκευή των φραγμάτων, ενώ η συγκέντρωση των αιωρούμενων στερεών υπολογίσθηκε στο διπλάσιο της μετρούμενης τον Δεκέμβριο του 2007, ώστε να προσομοιώνει την συγκέντρωση την περίοδο πριν την κατασκευή των φραγμάτων. Το ομοίωμα είχε ήδη βαθμονομηθεί και επαληθευτεί στα πλαίσια προηγούμενης μελέτης [22]. 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 3.1. Εκτίμηση των μεταβολών της μορφής της υδροδυναμικής κυκλοφορίας και διευθύνσεων ρεύματος υπό την επίδραση του ανεμολογικού κλίματος σε όλη την έκταση του διαύλου Κεραμωτής Θάσου, πριν την κατασκευή των φραγμάτων (επιφάνειαπυθμένας). Τα αποτελέσματα του ομοιώματος αναλύθηκαν για το προσδιορισμό των τιμών ταχυτήτων των επιφανειακών και πυθμιαίων ρευμάτων, κατά τους άξονες βορρά - νότου και ανατολής δύσης. Παράλληλα, αναλύθηκαν και οι συγκεντρώσεις των αιωρούμενων στερεών, όπως προσομοιώθηκαν για όλη την περιοχή μελέτης, και για την περίοδο πριν και μετά την κατασκευή των φραγμάτων. Εξετάζονται εδώ τρείς διαφορετικές περιπτώσεις, οι οποίες αφορούν στις στιγμιαίες διευθύνσεις ανέμου, που συναντώνται με μεγαλύτερη συχνότητα στην περιοχή κατά την διάρκεια του έτους, και σε τιμές ταχύτητάς τους που αντιστοιχούν περίπου στην διάμεσο. Σε αυτές τις περιπτώσεις παρατηρηθήκαν και οι πιο εμφανείς μεταβολές στην δομή της υδροδυναμικής κυκλοφορίας στο δίαυλο. Στην πρώτη περίπτωση, για βορειοανατολικό άνεμο ταχύτητας 8.1 m/s οι διαφορές στην μορφή της υδροδυναμικής κυκλοφορίας μεταξύ της θεωρητικής προσέγγισης πριν την κατασκευή των φραγμάτων και των σημερινών συνθηκών είναι εμφανείς, κυρίως στην περιοχή γύρω από το βορειοανατολικό άκρο της Ν. Θάσου. Σε αυτή, έχουμε αύξηση τόσο των επιφανειακών όσο και των ρευμάτων πυθμένα σε σχέση με τις τωρινές συνθήκες, και τάση των τελευταίων να στρέφονται προς τα βορειοανατολικά και να απομακρύνονται από την ακτογραμμή. Στην περίπτωση νότιου ανέμου ταχύτητας 6.1 m/s παρατηρείται η αύξηση των ταχυτήτων επιφανειακού και πυθμιαίου ρεύματος σε όλη την περιοχή του διαύλου κατά τις σημερινές συνθήκες, ενώ σε όλο το τμήμα της ακτογραμμής που περιλαμβάνει το δέλτα Νέστου και την αμμόγλωσσα και με έμφαση στο δυτικό τμήμα της, τα ρεύματα πυθμένα εμφανίζονται στραμμένα σε μεγαλύτερο βαθμό προς το κέντρο του στενού. Η τελευταία περίπτωση που εξετάζεται είναι αυτή των πολύ μικρής έντασης ανέμων, δηλαδή ταχυτήτων 2 m/s, οι οποίες αποτελούν το 20.05% των ανέμων σε ετήσια βάση. Οι διαφορές μεταξύ της υδροδυναμικής κυκλοφορίας στην υποθετική προσέγγιση πριν την κατασκευή των φραγμάτων σε σχέση με τις σημερινές συνθήκες, αφορούν και πάλι κυρίως την ακτογραμμή Κεραμωτής δ. Νέστου, και ιδιαίτερα το δυτικό και κεντρικό τμήμα της. Σε αυτό, παρατηρούμε αύξηση της ταχύτητας των επιφανειακών ρευμάτων, τα οποία κατευθύνονται υπό γωνία στην ακτογραμμή και μείωση των ρευμάτων πυθμένα, τα οποία σε αντίθεση με την υποθετική προσέγγιση, τείνουν να απομακρύνονται από αυτή. Στην περιοχή που αντιστοιχεί ακριβώς στο δέλτα του ποταμού, στην υποθετική προσέγγιση, τα ρεύματα πυθμένα τείνουν να στραφούν βόρεια με κατεύθυνση υπό γωνία προς την ακτογραμμή, ενώ 5
στην προσομοίωση με τις σημερινές συνθήκες κινούνται παράλληλα με το διαμήκη άξονα του διαύλου. Από τα αποτελέσματα του μοντέλου και για τις δύο εφαρμογές επιλέχθηκαν 5 σημεία κατά μήκος της ακτογραμμής Κεραμωτής - Θάσου που αντιστοιχούν στην απόθεση δυτικά, στο κέντρο του πρώτου τόξου, στο τμήμα της αμμόγλωσσας απέναντι από την Θασοπούλα, στο κέντρο του δεύτερου τόξου και τέλος στο στόμιο του δέλτα. Σε αυτά τα σημεία έγινε υπολογισμός των συχνοτήτων διεύθυνσης ταχύτητας ρεύματος οι οποίες εμφανίζονται για τα πρώτα 800 m από την ακτογραμμή και για την χρονικό διάστημα για το οποίο εφαρμόσθηκε το μοντέλο. Ο σκοπός ήταν να διαπιστωθούν τυχόν μεταβολές στην μορφή της υδροδυναμικής κυκλοφορίας λόγω της μείωσης του ρυθμού εκροής από τον π. Νέστο, στο τμήμα εκείνο της παράκτιας ζώνης όπου η βαθυμετρία είναι τέτοια ώστε τα φαινόμενα διάβρωσης απόθεσης να εξαρτώνται άμεσα από την ταχύτητα των ρευμάτων. Από τα αποτελέσματα, για το επιφανειακό ρεύμα, προκύπτει ότι στην προσομοίωση για την θεωρητική περίπτωση (πριν την κατασκευή των φραγμάτων), οι διευθύνσεις των ρευμάτων κατά μήκος της ακτογραμμής βρίσκονται κυρίως πάνω στον άξονα ανατολής-δύσης και με κατεύθυνση από δυτικά προς ανατολικά, ενώ στο σενάριο προσομοίωσης για τις σημερινές συνθήκες τα ρεύματα φαίνονται πιο ομοιόμορφα κατανεμημένα στο ροδόγραμμα. Στην πρώτη περίπτωση, στην περιοχή του δέλτα τα ρεύματα κατευθύνονται προς το κέντρο του διαύλου, ενώ στην δεύτερη απομακρύνονται από αυτόν με βορειοανατολική κατεύθυνση. Για την περιοχή της αμμόγλωσσας, η κίνηση των ρευμάτων πραγματοποιείται στην δεύτερη περίπτωση τόσο στον διαμήκη άξονα όσο και στον εγκάρσιο, με τις μέγιστες ταχύτητες να εμφανίζονται για τα ρεύματα που απομακρύνονται από την παράκτια ζώνη, όπως και για την περιοχή δυτικά της. Τα ρεύματα πυθμένα δεν παρουσιάζουν μεγάλες διαφορές μεταξύ των δύο περιπτώσεων εκτός από την περιοχή του δέλτα, όπου στην πρώτη περίπτωση εμφανίζουν και εγκάρσιες διευθύνσεις, σε μικρά ποσοστά, προς το κέντρο του στενού. 3.2. Εκτίμηση των μεταβολών στην ταχύτητα των επιφανειακών και ρευμάτων πυθμένα λόγω κατασκευής των φραγμάτων σε όλη την έκταση του διαύλου Κεραμωτής Θάσου Έγινε υπολογισμός των ταχυτήτων των ρευμάτων καθώς και της μέσης τιμής τους για κάθε κελί στην επιφάνεια και στο πυθμένα, και για τις δύο εφαρμογές. Στη συνέχεια έγινε ο υπολογισμός της επί τοις εκατό μεταβολής των μέσων τιμών για όλη την περιοχή μελέτης σύμφωνα με τον τύπο: Ποσοστιαία επί της εκατό μεταβολή: U U U / U *100 0 0 (εξ. 11) Όπου U 0 η θεωρητική ταχύτητα του ρεύματος σε συνθήκες πριν την κατασκευή των φραγμάτων, και U η ταχύτητα ρεύματος όπως υπολογίσθηκε βάσει των σημερινών συνθηκών. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στις εικόνες 3α και 3β για τα ρεύματα επιφάνειας και πυθμένα, αντίστοιχα. Σε ότι αφορά τις ταχύτητες ρευμάτων στην επιφάνεια (εικ. 3α), προκύπτει ότι μετά την κατασκευή των φραγμάτων παρατηρείται αύξηση τους στο δυτικό κυρίως κομμάτι της ακτογραμμής Κεραμωτής δ. Νέστου, στην μύτη της αμμόγλωσσας, με ποσοστά αύξησης 15% και άνω και με μέγιστα στο βορειοανατολικό τμήμα της ακτογραμμής της Θάσου (25%). Αύξηση της ταχύτητας παρατηρείται επίσης και σε διάφορα σημεία του ανατολικού και δυτικού ορίου του διαύλου, στα οποία έχουμε και την εισροή-εκροή υδάτων στο δίαυλο κατά των παλιρροιακό κύκλο. 6
Στο άξονα του διαύλου οι ταχύτητες των ρευμάτων είναι μειωμένες, με εξαίρεση την περιοχή γύρω από την Θασοπούλα, με μέσο όρο περίπου στο 9%, ενώ στη περιοχή που αντιστοιχεί κατά προσέγγιση στην επιφάνεια του πλουμίου εμφανίζεται μείωση έως και 50%. α β Εικόνα 3: Ποσοστό μεταβολής της ταχύτητας των α) επιφανειακών ρευμάτων και β) ρευμάτων πυθμένα όπως προκύπτει από την εφαρμογή του μοντέλου ELCOM για την περίπτωση διπλάσιας εκροής από το στόμιο του π. Νέστου, σε σχέση με τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για κανονική εκροή. Σε ότι αφορά στα ρεύματα πυθμένα (εικ. 3β), παρατηρείται αύξηση της ταχύτητάς τους περίπου στα ίδια σημεία με αυτά που παρατηρείται αύξηση των επιφανειακών ρευμάτων και κυρίως στην περιοχή γύρω από την Θασοπούλα και το βόρειο άκρο του ανατολικού ορίου. Η αύξηση της ταχύτητας των ρευμάτων πυθμένα στα παραπάνω σημεία κυμαίνεται από 14% έως 24%. Στον οριζόντιο άξονα του στενού δυτικά της Θασοπούλας οι ταχύτητες παραμένουν σχεδόν ίδιες ενώ στα ανατολικά παρουσιάζουν μείωση έως 20% κατά μέσο όρο. 3.3. Εκτίμηση των μεταβολών στην συγκέντρωση αιωρούμενων στερεών προερχόμενων από τα εκρεόμενα ύδατα του π. Νέστου στο επιφανειακό στρώμα και πλησίον του πυθμένα, λόγω κατασκευής των φραγμάτων σε όλη την έκταση του διαύλου Κεραμωτής Θάσου Έγινε υπολογισμός επίσης των μέσων τιμών των συγκεντρώσεων αιωρούμενων (mg/l) τα οποία προέρχονται από την εκροή του π. Νέστου για κάθε κελί για την επιφάνεια και τον πυθμένα, και για τις δύο εφαρμογές. Στη συνέχεια έγινε ο υπολογισμός της ποσοστιαίας μεταβολής των μέσων τιμών της συγκέντρωσης των αιωρούμενων στερεών, για όλη την περιοχή μελέτης, σύμφωνα με τον τύπο: Ποσοστιαία επί της εκατό μεταβολή: C C C / C *100 0 0 (εξ. 22) Όπου C 0 η θεωρητική συγκέντρωση σε συνθήκες πριν την κατασκευή των φραγμάτων, και C η συγκέντρωση όπως υπολογίσθηκε βάσει των τωρινών συνθηκών. Όπως φαίνεται και από την γραφική απεικόνιση των αποτελεσμάτων (εικ. 4α), στο επιφανειακό στρώμα η μείωση της συγκέντρωσης των αιωρούμενων στερεών που προέρχονται από τον ποταμό Νέστο αφορά όλη την περιοχή του στενού σε ποσοστά από 180% έως και 410% για την ακτογραμμή Κεραμωτής δ. Νέστου και ποσοστά από 150% και σημειακά έως 1.860% για το βόρειο και βορειοανατολικό τμήμα της ακτογραμμής της Θάσου. Η μείωση του ποσοστού φαίνεται να αυξάνει κατά τον εγκάρσιο άξονα του διαύλου, ξεκινώντας από τον βορρά και με κατεύθυνση προς τα νότια, με μέγιστα στο ανατολικό - νοτιοανατολικό όριο. Σε ότι αφορά την συγκέντρωση των στερεών στον πυθμένα (εικ. 4β), παρατηρείται αύξηση τους έως και 80% κατά το διαμήκη άξονα του διαύλου, και σταδιακή 7
μείωση της έως και τις παράκτιες ζώνες. Στην ακτογραμμή Κεραμωτής Νέστου, η μείωση αυτή ξεκινά από 20% ακριβώς στο δέλτα και αυξάνεται σταδιακά προς τα δυτικά με μέγιστο τα 690% περίπου, μετά την απόθεση και το δυτικό όριο του στενού. Η μεγαλύτερη μείωση παρατηρείται στην ακτογραμμή της Ν. Θάσου, και ιδιαίτερα στο βορειοανατολικό κομμάτι, με μέσο όρο τα 860% περίπου και μέγιστα τα 1.270%. Στο ανατολικό όριο του διαύλου δεν υπάρχει ουσιαστική διαφορά, αφού στο μεγαλύτερο τμήμα του εμφανίζεται αύξηση 0.1%, με μέγιστο το 20%. α β Εικόνα 42: Ποσοστό μεταβολής της α) επιφανειακής συγκέντρωσης αιωρούμενων στερεών και β) συγκέντρωσης πυθμένα προερχόμενων από την εκροή του π. Νέστου, όπως προκύπτει από την εφαρμογή του μοντέλου ELCOM για την περίπτωση διπλάσιας εκροής, σε σχέση με τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για κανονική εκροή. Τα παραπάνω αποτελέσματα γίνονται καλύτερα κατανοητά όταν προσομοιωθεί το εύρος του πλουμίου για την περίοδο πριν την κατασκευή των φραγμάτων και την περίοδο μετά. Στις εικόνες 5α και 5β απεικονίζεται η στιγμιαία μορφή του υπό την επίδραση βορειοανατολικού άνεμου ταχύτητας περίπου 2 m/s, καθώς και οι συγκεντρώσεις των αιωρούμενων στερεών σε αυτό. Ως όριο της περιοχής επιρροής του θεωρήθηκε το τμήμα της επιφάνειας στο οποίο η συγκέντρωση των αιωρούμενων στερεών που προέρχονται από τα νερά του Νέστου σχεδόν μηδενίζεται. α β Εικόνα 53: Περιοχή που καταλαμβάνει επιφανειακά το πλούμιο, όπως προκύπτει από την εφαρμογή του μοντέλου ELCOM, για την περίπτωση α) διπλάσιας εκροής και β) κανονικής εκροής. Στην θεωρητική προσέγγιση για την περίοδο πριν την κατασκευή των φραγμάτων, η επίδραση του πλουμίου φαίνεται να καλύπτει σχεδόν όλο το μήκος της ακτογραμμής 8
Κεραμωτής Νέστου, και είναι αρκετά έντονη στο βορειοανατολικό τμήμα της ακτογραμμής της Ν. Θάσου με τις συγκεντρώσεις των αιωρούμενων στερεών να κυμαίνονται κατά μέσο όρο στα 9 mg/l. Στον οριζόντιο άξονα του διαύλου η επίδραση του πλουμίου φτάνει μέχρι και τις αποθέσεις δυτικά με συγκεντρώσεις αιωρούμενων στερεών κατά μέσο όρο τα 4.3 mg/l. Η περιοχή μεγαλύτερης επίδρασης περιλαμβάνει το τμήμα της ακτογραμμής αμέσως μετά το δέλτα προς τα δυτικά, αφού σε εκείνο το κομμάτι έχουμε και τις μέγιστες τιμές συγκέντρωσης αιωρούμενων, με μέσο όρο τα 15.1 mg/l. 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Όταν έχουμε την μειωμένη εκροή, το επιφανειακό ρεύμα κινείται με κατεύθυνση βορειοανατολική επηρεαζόμενο από τις ανεμολογικές συνθήκες συντελώντας στις απώλειες ιζήματος προς τα ανατολικά και έξω από την περιοχή μελέτης. Όταν η εκροή προσομοιώνει τις ποσότητες πριν την κατασκευή των φραγμάτων τα ρεύματα πλησίον του δέλτα κατευθύνονται κυρίως προς τα νοτιοδυτικά και δυτικά μεταφέροντας το ίζημα μέσα στο στενό παράλληλα στην ακτογραμμή της Κεραμωτής και της Θάσου ενώ ταυτόχρονα συντελώντας στην μείωση των επιφανειακών ταχυτήτων σε όλη την παράκτια ζώνη. Οι αυξημένες ταχύτητες εκροής και ο μεγάλος όγκος νερού διατηρούν για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα το μέτωπο του πλουμίου κατά την απομάκρυνσή του από το στόμιο με αποτέλεσμα η αραίωση του ιζήματος κατά μήκος του στενού να επιβραδύνεται και επομένως και η κάθετη διάχυση του ιζήματος στο περιβάλλον με αποτέλεσμα να έχουμε μείωση της συγκέντρωσης του στον πυθμένα στα μεγαλύτερα βάθη στο κέντρο του στενού σε σχέση με την περίπτωση της μειωμένης εκροής. Το πλούμιο στην προσομοίωση της υποθετικής προσέγγισης των υδροδυναμικών συνθηκών πριν την κατασκευή των φραγμάτων μεταφέρει λόγω ορμής μεγαλύτερες ποσότητες κινητικής ενέργειας με αποτέλεσμα να καλύπτει μεγαλύτερη περιοχή. Η ταχύτητα εκροής που εξαρτάται από την διάμετρο του στομίου αυξάνεται ανάλογα με τον όγκο αυτής. Το πλούμιο του Νέστου κατά την έξοδό του από το στόμιο και κάτω από την επίδραση των γεωστροφικών δυνάμεων στρέφεται στα αριστερά ακολουθώντας την κατεύθυνση του κύματος Kelvin (δυτικά), κινούμενο σχεδόν παράλληλα της ακτογραμμής στο μεγαλύτερο μέρος του χρόνου. Η παρουσία ανέμων με διεύθυνση αντίθετη των κυμάτων Kelvin (βορειοανατολικοί) σε συνδυασμό με την περιοδική ταλάντωση της κίνησης του νερού στο στενό λόγω παλιρροιακού κύκλου εκτρέπουν το πλούμιο είτε προς τα ανατολικά, είτε προς την απέναντι παράκτια περιοχή της Θάσου. Οι ταχύτητες με τις οποίες κινείται το πλούμιο είναι μέγιστες όταν αυτό διασχίζει το στενό με κατεύθυνση προς τα δυτικά. Το ρεύμα που δημιουργείται σε αυτή την περίπτωση δεν εμφανίζεται κολλημένο πάνω στην ακτογραμμή αλλά μεγαλώνει σε πλάτος σταδιακά μετά την απομάκρυνση από το στόμιο του δέλτα περνώντας περιμετρικά της Θασοπούλας και στην συνέχεια είτε διατηρώντας το πλάτος του, είτε μειώνοντάς το πλησιάζει και πάλι στην ακτογραμμή. Η μορφή αυτή του πλουμίου εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό και από τα ανεμογενή ρεύματα τα οποία τείνουν να το εκτρέπουν προς τα νότια σε όλο το μήκος του στενού και τα οποία σε συνδυασμό με όλους τους παραπάνω παράγοντες αυξάνουν την ταχύτητα του βαρυτικού ρεύματος από ανατολή προς δύση. Αλλά και η ύπαρξη του ίδιου του πλουμίου επηρεάζει την μορφή της υδροδυναμικής κυκλοφορίας της περιοχής καθώς κατά την έξοδό του και ιδιαίτερα κοντά στο στόμιο, όπου οι ταχύτητες είναι μεγαλύτερες, φαίνεται να ανακόπτει την κυκλοφορία των ρευμάτων και ιδιαίτερα του εισερχόμενου από τα ανατολικά, μειώνοντας την ταχύτητά του στα επιφανειακά στρώματα. 9
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Lee H. J., Chao S. Y., Liu K. K., (2004) Effects of Reduced Yangtze River Discharge on the Circulation of Surrounding Seas, TAO, Vol. 15, No. 2, pp 111-132. 2. Geyer W. R., Signell R. P, Fong D. A., Wang J., Anderson D. M., Keafer B. A., (2004) The freshwater transport and dynamics of the western Maine coastal curren. Continental Shelf Research 24 pp 1339 1357. 3. Garvine R. W., (1974) Physical features of the Connecticut River outflow during high discharge Journal of Geophysical Research 79 (6), pp 831 846. 4. Chao S. Y. and Boicourt W. C., (1986) Onset of estuarine plumes. Journal of Physical Oceanography vol.16: pp 2137-2149. 5. Munchow A., Garvine R. W., (1993) Buoyancy and wind forcing of a coastal current Journal of Marine Research 51, pp 293 322. 6. Garvine R. W., (1999) Penetration of buoyant coastal discharge onto the continental shelf: a numerical model experiment Journal of Physical Oceanography 29, pp 1892 1909. 7. Fong D. A., Geyer W. R., Signell R. P., (1997) The wind-forced response of a buoyant coastal current: observations of the western Gulf of Maine plume Journal of Marine Systems 12, pp 69 81. 8. Kourafalou, V. H., (1999) Process studies on the Po River plume, Northern Adriatic Sea Journal of Geophysical Research 104, pp 29963 29985. 9. Hickey B. M., Pietrafesa, L.J., Jay, D.A., Boicourt, W.C., (1998) The Columbia River plume study: subtidal variability in the velocity and salinity fields Journal of Geophysical Research 103 (C5), pp 10339 10368. 10. Garvine R. W.,(1987) Estuary plumes and fronts in shelf waters, A layer model J. Phys. Oceanography 17, pp 1877-1896. 11. Hrisanthou V. (2002) Comparative application of two erosion models to a basin Hydrological Science Journal, 47(2), pp 279-292. 12. Andredaki M., Georgoulas A., Hrissanthou V., Angelidis P., Valsamidis A., Samaras A., Koutitas C., Kotsovinos N. (2008) Management of sand deposits collected by coastal and river infrastructure. Recovery of sediment transport - (GESA), INTERREG IIIC: Project BEACHMED-e - Measure 3.3. 13. Hodges B. and Dallimore C., (2006) Estuary, Lake and Coastal Ocean Model: ELCOM v2.2 Science Manual Technical Report, Centre for Water Research, University of Western Australia. 14. Kowalik Z., Murty T. S., (1993) Numerical modeling of ocean dynamics Advanced Series on Ocean Engineering, vol 5. World Scientific Singapore New Jersey London Hongkong. 15. Laval B., Imberger J., Hodges B.R., Stocker R., (2003) Modeling Circulation in Lakes: Spatial and Temporal Variations Limnology and Oceanography, 48:(3):pp 983-994. 16. Wijeratne E. M. S., (2007) Levelling of Sri Lanka Tide Gauges for improved hydrodynamic modelling of the Palk Strait J. Nat. Aquat. Resour. Res. Dev. Agency 38 pp 6-24. 17. Kopasakis K., (2012) Simulation of the hydrodynamic transport and diffusion of pollutants from the Black Sea into the North Aegean Sea with the use of hydrodynamic models and study of the effect of their long term accumulation to the 10
environment of the N.Aegean Coastal area (Greek edition). Ph.D. Thesis, Democritus. 18. Konidaris G.D., Kuindersma,S.R. Barto A.G. and Grupen R.A., (2010) Constructing skill trees for reinforcement learning agents from demonstration trajectories Advances in Neural Information Processing Systems 23, pp 1162-1170. 19. Sylaios G., Kamidis N., Anastasiou S., Tsihrintzis V., (2013) Hydrodynamic response of Thassos Passage (N. Aegean Sea) to Nestos river discharge and meteorological forcing. Continental Shelf Researche, Vol 59, pp 37-51. 20. Kamidis N.,Sylaios G., Tsihrintzis V.A., (2011) Modeling the Nestos River plume dynamics using ELCOM Desalination and Water Treatment vol. 33, pp 22 35. 21. Κόκκος, Ν. και Συλαίος Γ., (2012) Προσομοίωση τρισδιάστατης υδροδυναμικής κυκλοφορίας Βορείου Αιγαίου Πελάγου με τη χρήση του Ομοιώματος ELCOM). Πρακτικά 10ου Συμποσίου Ωκεανογραφίας & Αλιείας, Αθήνα, 6-9/5/2012. 22. Aναστασίου Σ., Συλαίος, Γ., (2012) Περιγραφή χαρακτηριστικών κυματικού κλίματος και υδροδυναμικής κυκλοφορίας στην περιοχή εκβολών π. Νεστου - εφαρμογή, επαλήθευση και διασύνδεση κυματικού και υδροδυναμικού μαθηματικού ομοιώματος 10ο Πανελλήνιο Συμπόσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας, 07-11 Μαΐου, Αθήνα σελ 91. 11