Η εργασία θα παρουσιαστεί στο 8 ο Πανελλήνιο Συμπόσιο Ωκεανογραφίας και Αλιείας, ΕΛ.ΚΕ.Θ.Ε., Θεσσαλονίκη Ιούνιος, 006 'ΗΠΙΕΣ' ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΑΚΤΩΝ: ΥΦΑΛΟΙ ΠΡΟΒΟΛΟΙ Δ. Ιωαννίδης 1, Θ. Καραμπάς, Αικ. Καραθανάση 1 Τ.Ε.Ι. Σερρών, Τμήμα Πολιτικών Δομικών Έργων, Τέρμα Μαγνησίας, 614, Σέρρες Πανεπιστήμιο Αιγαίου, Τμήμα Επιστημών της Θάλασσας, 81100, Μυτιλήνη ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην εργασία αυτή παρουσιάζεται μία θεωρητική προσέγγιση των παράκτιων διεργασιών σε ένα πεδίο που κατασκευάζονται ύφαλοι πρόβολοι για τον έλεγχο της διάβρωσης και την ενίσχυση της πρόσχωσης. Στο πεδίο δημιουργείται μία νέα κατάσταση κυματογενούς κυκλοφορίας με κύριο χαρακτηριστικό τους στροβίλους στα φατνώματα ενώ η ένταση του τρισδιάστατου ρεύματος επαναφοράς, που αποτελεί ένα μηχανισμό διάβρωσης, μειώνεται. Με τον τρόπο αυτό ελέγχεται η διάβρωση, ενώ ταυτόχρονα ενισχύονται οι μηχανισμοί που εναποθέτουν υλικά στην παράκτια περιοχή με τελικό αποτέλεσμα την πρόσχωση. Τα φαινόμενα προσομοιώνονται με τη χρήση μαθηματικού μοντέλου μετάδοσης μη γραμμικών διασπειρόμενων κυματισμών, κυματογενούς κυκλοφορίας, μεταφοράς φερτών και εξέλιξης μορφολογίας πυθμένα. Λέξεις κλειδιά: Διάβρωση ακτών, κυματισμοί, κυματογενή ρεύματα. SOFT SHORE PROTECTION METHODS: SUBMERGED GROINS D. Ioannidis 1, Th. V. Karambas, E. Karahanassi 1 T.E.I. of Serres, Dep. of Civil Engineering, Terma Magnisias, 614, Serres Universiy of he Aegean, Deparmen of Marine Sciences, 81100, Myilene ABSTRACT The presen sudy copes wih he heoreical invesigaion of he realizaion of coasal processes in presence of a sysem of submerged groins used for coasal accreion and erosion conrol. Circulaion cells are bifurcaing from he mainsream of he longshore curren, capable o ranspor sedimen inshore and rap a proporion of i inshore conribuing o shore accreion. In addiion he effecs of underow, which is an erosion mechanism by ransporing he suspended sedimen offshore, are reduced while accreion mechanisms are promoed. The heoreical invesigaion is based on numerical model for nonlinear dispersive wave propagaion, wave-induced currens, sedimen ranspor and bed morphology evoluion. Key words: coasal erosion, waves, wave induced currens
1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ευαισθητοποίηση για την προστασία του θαλάσσιου και χερσαίου περιβάλλοντος των παράκτιων ζωνών δημιούργησε την ανάγκη για αναζήτηση ηπιότερων μορφών έργων προστασίας ακτών (από άποψη λειτουργίας και κατασκευής) με γνώμονα τον περιορισμό των αρνητικών περιβαλλοντικών επιπτώσεων (διάβρωση των γειτονικών ακτών, ποιότητα νερού, αισθητική). Μία μέθοδος είναι η εγκατάσταση πυθμενικών προβόλων, που κατασκευάζονται από έγχυτο σκυρόδεμα μέσα σε ελλειψοειδείς διατομές από γεωύφασμα, σε μικρές αποστάσεις μεταξύ τους που καλύπτουν το μήκος της προστατευόμενης ζώνης. Η εγκατάσταση των παραπάνω υφάλων προβόλων μέσα στη ζώνη θραύσης επιβάλει επιπλέον θραύση πάνω στους υφάλους και δημιουργία στάσιμων κυματισμών. Σαν συνέπεια έχουμε τη μείωση της τυρβώδους κινητικής ενέργειας στα φατνώματα ανάμεσα στους προβόλους εφόσον μέρος της ενέργειας έχει αποσβεσθεί με τη θραύση πάνω στους προβόλους. Επιπλέον δημιουργείται μία νέα κατάσταση κυματογενούς κυκλοφορίας με κύριο χαρακτηριστικό τους στροβίλους στα φατνώματα αλλά και τη μείωση του τρισδιάστατου ρεύματος επαναφοράς (underow), η δημιουργία του οποίου προϋποθέτει την ύπαρξη προωθούμενων κυματισμών. Ο κύριος μηχανισμός διάβρωσης κατά μήκος της ακτής είναι το παράκτιο κυματογενές ρεύμα παράλληλα σε αυτή που μεταφέρει τα φερτά υλικά του πυθμένα. Οι ύφάλοι πρόβολοι μειώνουν την ένταση του ρεύματος και άρα της στερεοπαροχής με αποτέλεσμα την παγίδευση μέρους των φερτών και την αποφυγή της διάβρωσης. Εγκάρσια της ακτής ο κύριος μηχανισμός διάβρωσης είναι το τρισδιάστατο ρεύμα επαναφοράς (underow) που μεταφέρει τα φερτά κυρίως σε αιώρηση προς τα ανοιχτά. Η μερική ανάκλαση και η δημιουργία στάσιμων και όχι προωθούμενων κυματισμών σε συνδυασμό με τη μείωση της τυρβώδους κινητικής ενέργειας στα φατνώματα λόγω της θραύσης των κυματισμών πάνω στους υφάλους οδηγεί στη μείωση της έντασης του κυματογενούς ρεύματος επαναφοράς κα άρα και της διάβρωσης.. ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ Η πολυπλοκότητα των φαινομένων που εμφανίζονται αντιμετωπίζεται στην εργασία αυτή με την εφαρμογή υδροδυναμικών και μορφοδυναμικών μοντέλων. Για τη μελέτη της κυματικής διαταραχής στην περιοχή εφαρμόστηκε το μοντέλο διάδοσης μη γραμμικών διασπειρόμενων κυματισμών τύπου Boussinesq (Karambas and Tozer, 003, Karambas and Karahanassi, 004, Ιωαννίδης και συν., 005). Το μοντέλο αυτό προσομοιώνει τα φαινόμενα της διάθλασης, περίθλασης, ανάκλασης (μερικής και ολικής), επίδρασης της ρηχότητας και θραύσης, ενώ ταυτόχρονα αναπαράγει αυτόματα και τη δημιουργία του κυματογενούς ρεύματος στη ζώνη θραύσης. H ύπαρξη των βυθισμένων προβόλων
ενσωματώνεται στο μοντέλο σαν μία απλή μεταβολή της βυθομετρίας (Karambas and Kriezi, 1997). Οι εξισώσεις γράφονται: ζ + U ( h ) =0 1 1 1 1 U + Mu U ( Uh) + g ζ + G = h ( d ) h [ ] h h U U + 6 1 1 + d ( + g ζ ) + ( d + gd ζ) 30 U 30 U τb d ( δ U) - + E h 1 1 1 = 3 ζ 10 ( U) U U ( U U) [ ( U )] G d d (1) όπου ζ είναι η στιγμιαία ανύψωση της στάθμης της θάλασσας λόγω κυματισμών, d το βάθος, U=(U, V) οι μέσες ως προς το βάθος οριζόντιες ταχύτητες, h είναι το συνολικό βάθος, h=d+ζ, δ το πάχος του τυρβώδους στρώματος της επιφάνειας του θραυόμενου κυματισμού, τ b =(τ bx, τ by ) είναι ο όρος τριβής στον πυθμένα, E είναι ο όρος τυρβώδους συντελεστή ιξώδους και M = ( d +ζ ) +δ( u, όπου u o c uo) o=(u o, v o ) οι οριζόντιες u ταχύτητες στον πυθμένα. Η στερεομεταφορά του φορτίου πυθμένα και της ροής λεπτού οριακού στρώματος (shee flow ranspor) υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τη βελτιωμένη σχέση των Dibajnia και Waanabe (Dibajnia M., 1995, Dibajnia and Waanabe, 1998, Dibajnia e al., 001). Η σχέση της στερεομεταφοράς q b =(q bx,q by ), κάτω από τη δράση μη μονοχρωματικών κυματισμών, γράφεται (Dibajnia e al., 001): ( Ω +Ω ) ut ( Ω +Ω ) q u T b = 0.0038 c c c c wd T T sgd ( + ) s 50 c 50 () όπου w s είναι η ταχύτητα καθίζησης, d 50 είναι η μέση διάμετρος των κόκκων, s= ( ρs ρ)/ ρ (ρ και ρ s είναι οι πυκνότητας του νερού και των ιζημάτων αντίστοιχα), u c και u είναι το εύρος των ισοδυνάμων μέσων τετραγωνικών ταχυτήτων στον πυθμένα της κορυφής και της κοιλιάς, με αντίστοιχες διάρκειες T c και T. Οι τιμές των Ω j δίνονται στη εργασία Dibajnia e al., (001). Το φορτίο σε αιώρηση υπολογίζεται υιοθετώντας την ενεργητική προσέγγιση των Karambas and Karahanassi (004). 3. ΕΦΑΡΜΟΦΗ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΣΜΑΤΑ Το μοντέλο εφαρμόζεται στην περίπτωση μια ακτής με κλίση 1:30 και μέση διάμετρο κόκκων d 50 =0.3 mm. Το
ύψος κύματος που προσπίπτει είναι H=1.5 m με περίοδο T=8 sec,και γωνία πρόσπτωσης θ=30 ο. Οι ύφαλοι πρόβολοι έχουν απόσταση μεταξύ τους 0 m και ύψος 1 m. Στο Σχ. 1 παρουσιάζεται το πεδίο ταχυτήτων του πρωτογενούς κυματογενούς ρεύματος χωρίς την ύπαρξη των υφάλων προβόλων. Το ρεύμα είναι παράλληλο στην ακτή έχοντας σημαντική ένταση. Στο Σχ. φαίνεται η επίδραση της ύπαρξης των προβόλων στο πεδίο ταχυτήτων. Στην περίπτωση αυτή δημιουργούνται στρόβιλοι αλλά και μειώνεται η ένταση του παράκτιου ρεύματος. Η παρουσία των προβόλων επίσης μειώνει την τυρβώδη κινητική ενέργεια ανάμεσα στα φατνώματα αλλά και το τρισδιάστατο ρεύμα επαναφοράς (underow) με αποτέλεσμα η μεταφορά φερτών προς τα ανοιχτά να ελαττώνεται σημαντικά. Σαν συνέπεια έχουμε τη παγίδευση της παράκτιας στερεομεταφοράς και την επικράτηση της κυματογενούς μεταφοράς φερτών με κατεύθυνση προς την ακτή που οδηγεί σε πρόσχωση. Στο Σχ. 3 παρουσιάζεται η εξέλιξη της μορφολογίας πυθμένα με κύρια χαρακτηριστικά την διάβρωση στα βαθύτερα νερά και την πρόσχωση κοντά στην ακτογραμμή που αποδεικνύει και την αποτελεσματικότητα της εγκατάστασης υφάλων προβόλων για την προστασία ακτής. 4. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ DIBAJNIA M., 1995. Shee flow ranspor formula exended and applied o horizonal plane problems. Coasal Engineering in Japan, vol. 38, no : 179-194. DIBAJNIA M. and WATANABE A., 1998. Transpor rae under irregular shee flow condiions. Coasal Engineering, vol. 35: 167-183. DIBAJNIA M., MORIYA T. and WATANABE A., 001. A represenaive wave model for esimaion of nearshore local ranspor rae. Coasal Engineering Journal, vol. 43, no 1: 1-38. ΙΩΑΝΝΙΔΗΣ Δ., Θ. ΚΑΡΑΜΠΑΣ, ΑΙΚ. ΚΑΡΑΘΑΝΑΣΗ, Σ. ΧΡΙΣΤΟΠΟΥΛΟΣ, 005. Δισδιάστατο μοντέλο μη γραμμικών διασπειρόμενων κυματισμών για την προσομοίωση της παράκτιας στερεομεταφοράς. Έκθεση ερευνητικού προγράμματος Αρχιμήδης Ι, Περιβαλλοντική Υδραυλική, Τ.Ε.Ι. Σερρών. KARAMBAS TH. V. and N. P. TOZER, 003. Breaking waves in he surf and swash zone", Journal of Coasal Research, vol. 19, no 3: 514-58. KARAMBAS TH. V. and E.K. KARATHANASSI, 004. Boussinesq modeling of Longshore currens and sedimen ranspor. Journal of Waerway, Por, Coasal and Ocean Engineering, American Sociey of Civil Engineers (ASCE), Vol. 130, no 6: 77-86.
Σχήμα 1. Πεδίο ταχυτήτων του πρωτογενούς κυματογενούς ρεύματος χωρίς την ύπαρξη των υφάλων προβόλων.
Σχήμα. Επίδραση στο πεδίο ταχυτήτων του πρωτογενούς κυματογενούς ρεύματος της ύπαρξης των υφάλων προβόλων.
6.0 Κυματισμοί Αρχική Βυθομετρία Τελική Βυθομετρία y (m) 4.0.0 0.0 5 4 3 1 0 116.0 10.0 14.0 18.0 13.0 x (m) Σχήμα 3. Εξέλιξη της μορφολογίας πυθμένα ανάμεσα σε δύο υφάλους προβόλους μετά από διάστημα ενός έτους (συχνότητα εμφάνισης κυματισμών f= 10%).