Αριθμητική προσομοίωση κυματισμού σε περιοχές μεταβαλλόμενης βαθυμετρίας με χρήση του αριθμητικού κυματικού μοντέλου MIKE 21 BW by DHI

Abstract

Οι θαλάσσιοι κυματισμοί διαδίδοντας μεγάλα ποσά ενέργειας και δευτερευόντως μάζας, από την ανοιχτή θάλασσα προς τις ακτές, αποτελούν ένα πολύ σημαντικό παράγοντα που επιδρά στη διαμόρφωση των ακτών, στην ισορροπία του οικοσυστήματος στην παράκτια ζώνη, στην ρύπανση των ακτών, στην αλληλεπίδραση με τις παράκτιες κατασκευές κλπ.

Συνεπώς, προκύπτει η ανάγκη για ορθή χρήση και εκμετάλλευση των παρακτίων ζωνών καθώς και η απαίτηση σχολαστικού σχεδιασμού τόσο από τεχνολογική όσο και από κατασκευαστική άποψη κάθε δραστηριότητας που λαμβάνει χώρα στο παράκτιο περιβάλλον. Αυτό καθίσταται περισσότερο σημαντικό λαμβάνοντας υπόψη ότι το παράκτιο περιβάλλον αποτελεί θέμα ζωτικής σημασίας από οικονομική και κοινωνική άποψη για την γενικότερη ανάπτυξη μίας περιοχής.

Για την πρόβλεψη των χαρακτηριστικών διάδοσης των θαλασσίων κυματισμών σε μεταβαλλόμενη βαθυμετρία κοντά στην ακτή και των επιδράσεων τους, έχουν αναπτυχθεί διάφορες μεθοδολογίες και αριθμητικά μοντέλα, (βλ., π.χ., Beji & Battjes 1994, Beji & Nadaoka 1996, Belibassakis & Athanassoulis 2011 και τις αναφορές στις εργασίες αυτές). Αντίστοιχα, τα σχετικά φαινόμενα έχουν εκτεταμένα διερευνηθεί σε εργαστηριακό περιβάλλον (βλ., π.χ., Beji & Battjes 1993).

Σε αυτήν την διπλωματική εργασία, γίνεται εφαρμογή ενός διαδεδομένου και ευρέως αποδεκτού και χρησιμοποιούμενου στην πράξη υπολογιστικού κυματικού μοντέλου, και συγκεκριμένα του MIKE 21 της εταιρίας DHI (Danish Hydraulic Institute), το οποίο βασίζεται σε εμπλουτισμένες εξισώσεις Boussinesq (βλ. Madsen & Sorensen 1992, Zhang et al. 2007), προκειμένου να προσομοιωθεί η κυματική διάδοση από την ανοιχτή θάλασσα προς την ακτή και να μελετηθεί η αλληλεπίδραση του κυματισμού με τον θαλάσσια πυθμένα. To μοντέλο εξετάζεται για την αξιοπιστία των προβλέψεων του σε μια και δύο οριζόντιες διαστάσεις και τα αποτελέσματα συγκρίνονται με πειραματικές μετρήσεις οι όποιες προέρχονται από πειράματα των Beji & Battjes (Numerical simulation of nonlinear wave propagation over a bar, Coastal Engineering 1993) και από το πείραμα που περιγράφεται από τους Berkhoff et al. (1982) και αναφέρεται στην διάδοση κυματισμού πάνω από μία ρήχωση ελλειπτικής μορφής που βρίσκεται πάνω σε κεκλιμένο πυθμένα. Εξάγονται έτσι συμπεράσματα για την βέλτιστη επιλογή των φυσικών και αριθμητικών παραμέτρων. Ακολούθως εφαρμόζεται σε πραγματικές περιοχές με σχετικά απλή μορφολογία. Τέλος, επιτυγχάνεται η εφαρμογή του μοντέλου για το υποθαλάσσιο φαράγγι που βρίσκεται στην παράκτια περιοχή της πόλης la Jolla, στην Καλιφόρνια των Ηνωμένων πολιτειών. Στη δεύτερη αυτή περίπτωση η μορφολογία πυθμένα διαθέτει πολύπλοκα χαρακτηριστικά που καθιστούν το κυματικό πεδίο επίσης πολύπλοκο, πράγμα που αναδεικνύει την αποτελεσματικότητα του αριθμητικού μοντέλου MIKE 21 BW. Ως αποτέλεσμα διατυπώνονται χρήσιμα συμπεράσματα για την εφαρμοσιμότητα του σε γενικές καταστάσεις.

Sea waves, propagating large amounts of energy and secondarily mass, from the open sea to the coast, are a very important factor that affects coast stability, the balance of the ecosystem in the coastal zone, the interaction with coastal structures, coastal pollution etc.

The appropriate use and exploitation of coastal zones is interconnected with the requirements of detailed planning concerning both technological and manufacturing activities that take place in the coastal environment. This becomes more important taking into account that the coastal environment is an extremely significant factor both in economic and social terms for the overall development of a region. To predict the propagation characteristics of sea waves in variable bathymetry regions and especially near the coast and their effects , various methods have been developed and corresponding numerical models (see, e.g., Beji & Battjes 1994, Beji & Nadaoka 1996, Belibassakis & Athanassoulis 2011 and references cited there). Moreover, relevant phenomena have been extensively experimentally investigated in laboratory environment (see, e.g., Beji & Battjes 1993).

In this thesis, the widespread and widely accepted and used in practice numerical wave model MIKE 21 developed by DHI (Danish Hydraulic Institute) is applied to the prediction of wave characteristics in the nearshore and coastal regions. This model is based on enhanced Boussinesq equations (see Madsen and Sorensen 1992, Zhang et al. 2007), for the prediction of wave propagation from the open sea towards the coast and subsequently applied to the study of interaction of water waves with the sea bottom. The model is examined for its reliability concerning the estimates in one and two horizontal dimensions and the results are compared against experimental measurements, which are derived and presented by Beji & Battjes (Numerical simulation of nonlinear wave propagation over a bar, Voastal Engineering 1993), and in the case of underwater shoal experiment over an upslope, described by Berkhoff et al. (1982). The latter work refers to the obliquely incident wave propagation over an elliptical shape shoal which is locate over a sloping bed. As a conclusion estimates are derived for the optimal choice of physical and numerical parameters using MIKE 21 BW model. In the final part of the thesis the same wave model MIKE 21 BW is investigated as concerns its applicability to real coastal locations. First a case characterized by relatively simple seabed and coastline morphology such as the coastal zone around the city of Rethymno (Crete) is investigated. Then, the model is implemented in the case of the submarine canyon located in the coastal area of the La Jolla (San Diego), in California in the United States. In this case, the bottom topography includes very complex features with almost vertical underwater walls, that highlight the effectiveness and efficiency of the above numerical model for such difficult topographies.