Μαθηματική προσομοίωση ανανέωσης υδάτων στον Αμβρακικό κόλπο

Abstract

Ο Αμβρακικός κόλπος βρίσκεται στην βορειοδυτική περιοχή της Ελλάδας και είναι ένας από τους μεγαλύτερους ημίκλειστους κόλπους της και έχει περίπου 40 km μήκος και 15 km πλάτος. Χαρακτηρίζεται ως «Εθνικός Δρυμός» από την ελληνική νομοθεσία και ένα τμήμα του υγρότοπου του Αμβρακικού έχει οριστεί ως προστατευόμενο οικοσύστημα από τις εθνικές και διεθνείς οδηγίες (Ramsar). Ο υγρότοπος είναι ένα σύνθετο οικοσύστημα που αποτελείται από λιμνοθάλασσες, από τα δέλτα των ποταμών Λούρου και Αράχθου που εκρέουν στον κόλπο, δημιουργώντας ένα περίπλοκο λιμνοθαλάσσιο σύστημα που αποτελείται από 3 μεγάλες, και περισσότερες από 20 μικρότερες λιμνοθάλασσες. Η ανανέωση του νερού στον Αμβρακικό κόλπο είναι μείζονος σημασίας για την ποιότητα του νερού κυρίως για την οξυγόνωση των υδάτων και τον αυτοκαθαρισμό του κόλπου. Η ανανέωση των υδάτων πραγματοποιείται αποκλειστικά μέσω ενός στενού διαύλου που συνδέει τον κόλπο με το Ιόνιο Πέλαγος, το οποίο έχει 3,0 km μήκος, πλάτος που κυμαίνεται από 0,6 έως 2,0 km και βάθος από 2,0 έως 13,0 m. Υπάρχουν διάφοροι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται προκειμένου να υπολογιστεί η ταχύτητα με την οποία ανανεώνεται το νερό ενός ημίκλειστου κόλπου. Οι πιο κοινοί όροι που χρησιμοποιούνται είναι: ο υδραυλικός χρόνος παραμονής (HRT) και ο χρόνος παραμονής (RT). Στην παρούσα διπλωματική εργασία έγινε μια προκαταρκτική εκτίμηση της HRT και RT στον Αμβρακικό κόλπο. Οι υπολογισμοί πραγματοποιήθηκαν με τον υπολογιστικό κώδικα FLOW-3DL, που έχει δομηθεί στο ΕΜΠ, για τον υπολογισμό του πεδίου ροής, ο οποίος περιλαμβάνει το υπομοντέλο QUAL-3DL για τους υπολογισμούς ποιότητας. Η βασική δομή του κώδικα στηρίζεται στις εξισώσεις τριών διαστάσεων συνέχειας και διατήρησης της ορμής για μη μόνιμη ροή, διατυπωμένες για στρώματα νερού σταθερού πάχους, στα οποία υποδιαιρείται το εξεταζόμενο πεδίο. Οι διαφορικές εξισώσεις επιλύονται αριθμητικά με τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών. Το συνεχές πεδίο υπολογισμού διακριτοποιείται σε μικρές ορθογωνικές περιοχές (διαφορικοί όγκοι), στους οποίους γίνεται η ολοκλήρωση των διαφορικών εξισώσεων κατά βάθος και προκύπτουν οι αριθμητικές λύσεις. Ο κώδικας FLOW- 3DL χρησιμοποιεί ρητό (explicit) σχήμα επίλυσης με έκκεντρο κάνναβο στο χώρο και με εμπρόσθιες διαφορές στο χρόνο. Οι υπολογισμοί πραγματοποιήθηκαν για δύο πλέγματα, τα οποία καλύπτουν την περιοχή του Αμβρακικού Κόλπου και ένα μικρό μέρος του Ιονίου. Ο σκοπός της εξέτασης των δύο πλεγμάτων ήταν η διερεύνηση της επίδρασης του χωρικού βήματος στην ακρίβεια των αποτελέσματων. Το αραιό πλέγμα αποτελείται από 19x10 διαφορικούς όγκους με βήμα ίσο με 2500 m και 7 στρώματα στην οριζόντια διεύθυνση. Το πυκνό πλέγμα αποτελείται από 83x49 διαφορικούς όγκους (με βήμα ίσο με 500 m και 7 στρώματα στην z-διεύθυνση). Από την εφαρμογή του μοντέλου είναι τα εξής συμπεράσματα: (1) το ΗRT προκύπτει ίσο με 2,1 χρόνια. (2) Η επίδραση των παροχών των ποταμών Λούρου και Αράχθου στο HRT είναι σημαντική και προκαλεί μείωση του HRT κατά 0,3 χρόνια ή 12,5% για το μέσο εύρος παλίρροιας. (3) Η επίδραση του ανέμου στην HRT είναι ήσσονος σημασίας (<2%), λόγω του μικρού μεγέθους του στομίου του κόλπου που απαγορεύει την ανταλλαγή σημαντικών υδάτινων μαζών με το Ιόνιο Πέλαγος. (4) Η τιμή του RT στον Κόλπο είναι ίση με 3,7 χρόνια, δηλαδή σχεδόν το διπλάσιο του HRT (1,7 φορές μεγαλύτερη).

The Amvrakikos Gulf is located in the north-western coast of Greece and is one of the largest semi-enclosed embayments in Greece being about 40 km long and 15 km wide. It is characterized as “National Park” by the Greek legislation and is a part of the wetland of Amvrakikos that is a preserved ecosystem by national and international directives (Ramsar). The wetland is a complex ecosystem consisting of the shallow marine waters of the Gulf, the deltas of Louros and Arachtos rivers that gush into the Gulf and a lagoon system composed of 3 large and over 20 smaller lagoons. Water renewal of the Amvrakikos Gulf is of major importance for its water quality mainly through the supply of oxygen and the removal of pollution; the renewal of the waters of the Gulf is made exclusively via a narrow channel connecting the Gulf with the Ionian Sea that has a 3,0 km length, width ranging from 0,6 to 2,0 km and depth from 2,0 to 13,0 m. There are various indicators of how fast the water of a semi-enclosed coastal embayment is renewed via transport and mixing; the most common terms being used are hydraulic retention time (HRT) and residence time (RT). In the present work a preliminary estimation of the HRT and RT in the Amvrakikos Gulf is performed via the application of a 3-D integrated model that consists of the hydrodynamic sub-model FLOW-3DL and the water quality sub-model QUAL-3DL. These models, that have been developed in the NTUA, involve the 3-D non-steady state flow (continuity and momentum) equations and the convection-diffusion equation for the concentration of a conservative pollutant expressed in layer formulation. Two space-staggered computational grids were used, which cover the area of Amvrakikos Gulf and a small part of the Ionian sea. The purpose of the examination of two grids was to investigate the effect of the space step on the results. The coarse grid consisted of 19x10 control volumes with constant resolution equal to 2500 m and 7 layers in the direction of the depth. The fine grid consisted of 83x49 control volumes (space step is equal to 500m and 7 layers in z-direction). From the application of the model the following conclusions are drawn: (1) The HRT in the Gulf is equal to 2,1 years. (2) The effect of the flow rates originating from the rivers Louros and Arachthos on HRT is relatively important and contributes to the reduction of the HRT by 0,3 years or 12,5% for the mean tidal range. (3) The effect of the wind on HRT is minor (<2%) due to the small size of the entrance to the Gulf that prohibits the exchange of significant water masses with the Ionian Sea. (4) The theoretical RT in the Gulf is equal to 3,7 years, i.e. almost twice the HRT (1,7 times).