Αριθμητική προσομοίωση υδροδυναμικού πεδίου και κίνησης ιζήματος σε ακτή τύπου θύλακα

Abstract

Αντικείμενο της εργασίας αποτελεί η ακτή τύπου θύλακα. Αφορά τη διερεύνηση των δυναμικών συνθηκών που επικρατούν σε τέτοιου τύπου ακτές και την τοποθέτηση έργων προστασίας ακτής, συγκεκριμένα κυματοθραυστών, με στόχο τη βελτιστοποίηση της διάταξης αυτών. Η περιοχή εφαρμογής είναι ο όρμος της Αγίας Πελαγίας του νομού Ηρακλείου Κρήτης. Για την ακριβέστερη προσομοίωση των δυναμικών συνθηκών και συγκεκριμένα των συνθηκών στερεομεταφοράς, είναι απαραίτητος ο προσδιορισμός του ιζήματος της περιοχής. Για το λόγο αυτό πραγματοποιήθηκαν δειγματοληψίες από δεκαπέντε σημεία της ακτής. Οι δειγματοληψίες έγιναν σε πέντε εγκάρσιες διατομές της ακτής, οι οποίες τοποθετούνται ώστε να υπάρχουν δείγματα σε όλο το μήκος της ακτής. Για τα δείγματα αυτά πραγματοποιήθηκε κοκκομετρική ανάλυση στο εργαστήριο και σχεδιάστηκαν οι κοκκομετρικές καμπύλες. Έτσι, εκτιμήθηκαν τα χαρακτηριστικά του ιζήματος, ως η μέση τιμή των χαρακτηριστικών των δειγμάτων που κρίθηκαν κατάλληλα να το περιγράψουν. Ιδιαίτερα, τα χαρακτηριστικά αυτά αφορούν τη μέση διάμετρο των κόκκων του υλικού (D50=2,11mm) και τη γεωμετρική τυπική απόκλιση (σg= 1,95). Τα ανεμολογικά δεδομένα που συλλέχθηκαν από τον πλησιέστερο μετεωρολογικό σταθμό της ΕΜΥ, εκείνον του Ηρακλείου, περιλαμβάνουν τις μέσες ποσοστιαίες μηνιαίες συχνότητες εμφάνισης ανέμου. Για τον προσδιορισμό του κυματικού κλίματος στα ανοιχτά, χρησιμοποιήθηκαν οι ετήσιες συχνότητες που προέκυψαν από τα δεδομένα. Η περιοχή επηρεάζεται από βόρειους, βορειοανατολικούς και ανατολικούς ανέμους. Για την πρόγνωση των ανεμογενών κυματισμών στα βαθιά, εφαρμόσθηκε η μέθοδος SMB, αφού προηγήθηκε ο υπολογισμός του ενεργού αναπτύγματος πελάγους. Από τη μέθοδο SMB υπολογίσθηκαν η περίοδος αιχμής φάσματος (Tp) και το σημαντικό ύψος κύματος (Hmo) για τους ανέμους κάθε διεύθυνσης, για συνθήκες time-limited και fetch-limited. Για τον προσδιορισμό των υδροδυναμικών συνθηκών χρησιμοποιήθηκαν οι ανεμογενείς κυματισμοί που προέκυψαν για συνθήκες fetch-limited, καθώς ήταν δυσμενέστεροι. Από αυτούς κρίθηκαν ικανοί να περιγράψουν το κυματικό κλίμα της περιοχής οι άνεμοι των 5 έως 9 beaufort κάθε διεύθυνσης. Έτσι προέκυψαν 11 κυματικά σενάρια. Για τον προσδιορισμό των δυναμικών συνθηκών πραγματοποιήθηκε προσομοίωση με το πρόγραμμα MIKE 21 και συγκεκριμένα με τα μοντέλα Parabolic Mild-Slope (PMS), Hydrodynamic (HD) και Non-Cohesive Siment Transport (ST). Για τα 11 κυματικά σενάρια διεξήχθησαν το κυματικό και το υδροδυναμικό μοντέλο. Ύστερα από αξιολόγηση των αποτελεσμάτων έγιναν προσομοιώσεις στερεομεταφοράς για τέσσερα από τα κυματικά σενάρια. Τα σενάρια αυτά είναι οι δυσμενέστεροι κυματισμοί κάθε διεύθυνσης οι ανεμογενείς κυματισμοί των 9bf, 7bf και 7bf του Βόρειου, Βορειοανατολικού και Ανατολικού ανέμου αντίστοιχα. Καθώς και για τον άνεμο των 4bf του Βορειοανατολικού ανέμου επειδή παρουσίασε ιδιαίτερες υδροδυναμικές συνθήκες. Στα τρία πρώτα σενάρια, τα οποία ήταν δυσμενέστερα, βασίσθηκε ο σχεδιασμός των έργων και η βελτιστοποίηση της διάταξής τους. Ως έργο αναπλήρωσης ακτής επιλέχθηκε ο κυματοθραύστης, εφόσον εκτιμήθηκε ικανός τύπος έργου για την αντιμετώπιση του προβλήματος της ακτής. Με σκοπό τη βελτιστοποίηση της διάταξης κυματοθραυστών εξετάστηκαν τρία σενάρια διατάξεων. Το πρώτο περιλαμβάνει τη τοποθέτηση δύο έξαλων αποσπασμένων κυματοθραυστών, το δεύτερο τη τοποθέτηση ενός έξαλου κυματοθραύστη, ισοδύναμου μήκους με το σύστημα των δύο έξαλων κυματοθραυστών. Τέλος, το τρίτο αφορά δύο ύφαλους κυματοθραύστες ίδιου μήκους με τους έξαλους του πρώτου σεναρίου. Για τις τρεις διατάξεις πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις για τη περιγραφή των δυναμικών συνθηκών που εμφανίζονται στη περιοχή, μετά την τοποθέτηση των έργων. Από τις τρεις διατάξεις, βέλτιστη ως προς τη μείωση της δράσης των κυματισμών και την εξασθένιση της κίνησης των ιζημάτων προς τα βαθιά, προέκυψε ότι είναι η πρώτη διάταξη των δύο έξαλων κυματοθραυστών.

This diploma thesis is focused on the ‘’pocket beach’’. The purpose of this study was to investigate the prevailing dynamic conditions in this kind of coasts of interest and to examine the optimal location of the coastal shore protection structures, breakwaters in particular. The region of study is the haven of Agia Pelagia in the municipality of Heraklion, Crete. In order to thoroughly simulate the dynamic and transport conditions, the determination of the sediment of the area was essential. Therefore samples were taken from fifteen different parts of the coast. The samplings occured in five sections of the coast. The grain size distribution of the samples resulted in the grain size curves. This analysis indicated the characteristics of the sediment such as the average diameter of the grain (D=2,11mm) and the standard deviation (σg=1,95). The wind data that were obtained from the nearest weather station of HNMS in Heraklion, provided the average frequencies as percentage occurance for every month. The annual frequencies that resulted from the dara were used to identify the wave diet (climate) in deep water. The area is affected by north, northeast and east winds. The effective fetch lenght was estimated and the SMB method was applied to predict the wind-driven waves in deep water. The peak period Tp and the energy-based significant wave height Hmo were calculated for winds of every direction, for both time-limited and fetch-limited conditions. The wind-driven waves for fetch-limited conditions were less favourable and were used to determine the hydrodynamic conditions. It was deemed that the wave climate of the region can be described by winds of every direction that could rank 5 to 9 on the Beaufort scale. The outcome was eleven wave scenarios. The program MIKE 21 and specifically the models Parabolic Mild-Slope (PMS), Hydrodynamic (HD) and Non-Cohesive Siment Transport (ST) were used to simulate the dynamic conditions. The PMS and HD model run for all eleven wave scenarios. The results were evaluated and the ST model run for four of these scenarios. Those were the wind-driven waves of the north, northeast and east wind that blows at force 9bf, 7bf and 7bf respectively. The waves of the northeast wind that blows at force 4bf, also presented interesting hydrodynamic conditions. The design of the structures was based on the first three scenarios which are more unfavourable. The breakwater was found the more suitable structure as part of the coastal defense. Three options were examined for the optimal placement of the structures. The first includes two segmented detached breakwaters and the second involves a single detached breakwater equivalently long. The third scenario includes two submerged breakwaters as long as the two segmented detached breakwaters. Simulations were made for all three scenarios in order to assess the dynamic conditions of the area after the installation of the breakwaters. The results of the study revealed that the installation of the two segmented detached breakwaters is the optimum because it reduces the effects of wave action and debilitates the sediment transport.