Ακτομηχανική διερεύνηση, μέσω μαθηματικής προσομοίωσης, των δυνατοτήτων της Ποσειδωνίας (Posidonia Oceanica) για την προστασία των ακτών από τη διάβρωση, ως λύσης βασισμένης στη φύση (Nature-Based Solution): εφαρμογή στην παράκτια ζώνη της Νέας Κορώνης

Ζαφειρόπουλος, Θεόδωρος; Zafeiropoulos, Theodoros

dc.contributor.author	Ζαφειρόπουλος, Θεόδωρος	el
dc.contributor.author	Zafeiropoulos, Theodoros	en
dc.date.accessioned	2024-11-07T12:46:35Z
dc.date.available	2024-11-07T12:46:35Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/60389
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.28085
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Επιστήμη και Τεχνολογία Υδατικών Πόρων”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Ποσειδωνία	el
dc.subject	Ακτές	el
dc.subject	Διάβρωση	el
dc.subject	Λύσεις βασισμένες στη φύση	el
dc.subject	Μαθηματική προσομοίωση	el
dc.subject	Posidonia	en
dc.subject	Coasts	en
dc.subject	Erosion	en
dc.subject	Nature based solutions	en
dc.subject	Mathematical simulation	en
dc.title	Ακτομηχανική διερεύνηση, μέσω μαθηματικής προσομοίωσης, των δυνατοτήτων της Ποσειδωνίας (Posidonia Oceanica) για την προστασία των ακτών από τη διάβρωση, ως λύσης βασισμένης στη φύση (Nature-Based Solution): εφαρμογή στην παράκτια ζώνη της Νέας Κορώνης	el
dc.title	Coastal engineering investigation, through mathematical simulation, of the capabilities of Posidonia Oceanica to protect coasts from erosion, as nature based solution: application in the coastal zone of Nea Koroni	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Ακτομηχανική	el
heal.classification	Coastal Engineering	en
heal.language	el
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2024-07-04
heal.abstract	Το πρόβλημα της παράκτιας διάβρωσης απασχολεί εδώ και δεκαετίες την επιστημονική κοινότητα, τις κατά τόπους κοινωνίες αλλά και τα κέντρα λήψης αποφάσεων σε όλα τα επίπεδα. Εξαιτίας της κλιματικής αλλαγής μάλιστα, η οποία συνοδεύεται από άνοδο της θαλάσσιας στάθμης αλλά και αύξηση της συχνότητας και της έντασης των ακραίων καιρικών φαινομένων, η παράκτια διάβρωση αναμένεται να βρεθεί ακόμη πιο ψηλά στην ατζέντα όλων των εμπλεκομένων, καθώς εκτιμάται ότι θα προξενήσει ανυπολόγιστες ζημιές σε υποδομές και θα επηρεάσει τις ζωές εκατομμυρίων ανθρώπων. Στη συντριπτική πλειοψηφία των περιπτώσεων η λύση που προκρίνεται για την αντιμετώπιση του φαινομένου είναι η εφαρμογή σκληρών μέτρων ώστε να υψωθεί τοίχος προστασίας απέναντι στην απειλή. Ωστόσο, αν και πολλές φορές αυτή η τακτική είναι αναπόφευκτη, όπως στην περίπτωση των παράκτιων περιοχών χαμηλού υψομέτρου, δεν αποτελεί πάντα τη λύση του προβλήματος. Απεναντίας συχνά συνοδεύεται από ανεπιθύμητες επιπτώσεις, όπως η διακοπή της τροφοδοσίας των ακτών με ίζημα με αποτέλεσμα τη διάβρωσή τους. Έτσι, το πρόβλημα αντί να λύνεται, θα λέγαμε ότι ανατροφοδοτείται. Εκτός αυτού, η εφαρμογή σκληρών λύσεων για την αντιμετώπιση της παράκτιας διάβρωσης, αφενός μεν, στερεί από τους ανθρώπους τη δυνατότητα να επισκεφθούν τις ακτές και τη θάλασσα, αφετέρου δε, συχνά προκαλεί ανεπανόρθωτες καταστροφές στους θαλάσσιους βιότοπους και τα οικοσυστήματα. Τέλος, πρόκειται για εξαιρετικά δαπανηρές υποδομές οι οποίες σε αρκετές περιπτώσεις δεν δικαιολογούν το υπερβολικό κόστος κατασκευής και συντήρησής τους. Οφείλουμε βέβαια να παραδεχθούμε ότι η πρόληψη της διάβρωσης είναι εξαιρετικά σύνθετο εγχείρημα και δεν είναι πάντοτε εύκολο να εκτιμηθούν οι ενδεχόμενες μακροπρόθεσμες επιπτώσεις των ανθρώπινων παρεμβάσεων που στόχο έχουν να την αντιμετωπίσουν. Ωστόσο, γνωρίζοντας πλέον αρκετά για τα σημαντικά μειονεκτήματα που συνοδεύουν την εφαρμογή σκληρών μέτρων προστασίας, οι προσπάθειες όλων των εμπλεκομένων άρχισαν τις τελευταίες δύο δεκαετίες να στρέφονται στην εφαρμογή ηπιότερων μέτρων προστασίας, πιο φιλικών προς τη φύση. Ακόμη πιο πρόσφατα και αντιμετωπίζοντας πλέον έντονα τις καταστροφικές επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής, τόσο η επιστημονική έρευνα, όσο και οι εμπλεκόμενοι φορείς άρχισαν σε πολλούς τομείς να στρέφονται στην προσπάθεια εξεύρεσης λύσεων και παραγωγής προϊόντων που θα είχαν το ελάχιστο δυνατό περιβαλλοντικό αποτύπωμα. Εκτός αυτού, οι αλλεπάλληλες παγκόσμιες οικονομικές κρίσεις, έκαναν ακόμη πιο έντονη την ανάγκη εξεύρεσης πρωτοποριακών λύσεων σε διάφορα θέματα, με το ίδιο ή εφάμιλλο αποτέλεσμα με τις συμβατικές, αλλά αισθητά μειωμένο κόστος. Στο πλαίσιο αυτό, στον τομέα της ακτομηχανικής και ειδικότερα της προστασίας των ακτών από την πλημμύρα και τη διάβρωση, άρχισαν να προκρίνονται όλο και περισσότερο λύσεις που στόχο έχουν την ενίσχυση του επιπέδου αντιπλημμυρικής και αντιδιαβρωτικής προστασίας, σε συνεργασία με τη φύση (Nature-Based Solutions). Ένα τέτοιο μέτρο είναι και η μείωση της ενέργειας των κυματισμών μέσω φυσικών εμποδίων, όπως τα φύκη. Στο πλαίσιο της συγκεκριμένης κατηγορίας αντιδιαβρωτικών λύσεων, βασισμένων στη φύση, στην παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε ακτομηχανική διερεύνηση, μέσω μαθηματικής προσομοίωσης, των δυνατοτήτων του φύκους Ποσειδωνία (Posidonia Oceanica) που ευδοκιμεί στη Μεσόγειο, για την προστασία των ακτών από τη διάβρωση. Η ερευνητική μεθοδολογία που ακολουθήθηκε περιλάμβανε αρχικά τη διαδικασία βαθμονόμησης των βασικών αριθμητικών μοντέλων που χρησιμοποιήθηκαν (κυματικό και υδροδυναμικό). Για να επιτευχθεί η βαθμονόμηση, προσομοιώθηκαν δύο πειραματικές προσεγγίσεις που αφορούν στη μείωση της κυματικής ενέργειας από την παρουσία τεχνητών λιβαδιών Ποσειδωνίας και μια που αφορά στο υδροδυναμικό πεδίο που διαμορφώνεται εντός και γύρω από λιβάδια αναδυόμενης τεχνητής βλάστησης. Ειδικότερα, κατόπιν διερεύνησης της τιμής διαφόρων παραμέτρων, όπως ο συντελεστής απωλειών ενέργειας λόγω της παρουσίας των φυκών, εξήχθησαν διάφορα αριθμητικά αποτελέσματα. Στη συνέχεια τα αποτελέσματα αυτά συγκρίθηκαν με τις αντίστοιχες πειραματικές μετρήσεις και με κριτήριο τη μεγαλύτερη μεταξύ τους σύγκλιση, βαθμονομήθηκε το κάθε μοντέλο. Ακολούθως τα βαθμονομημένα αριθμητικά μοντέλα χρησιμοποιήθηκαν στην καθαυτό ακτομηχανική διερεύνηση των δυνατοτήτων της Ποσειδωνίας για την προστασία μιας πραγματικής παράκτιας ζώνης από τη διάβρωση, αυτής της Νέας Κορώνης που βρίσκεται στον δυτικό Μεσσηνιακό Κόλπο. Εδώ το ερευνητικό ενδιαφέρον επικεντρώθηκε αρχικά στην περιγραφή της υφιστάμενης κατάστασης και στην ανάδειξη του μεγέθους του προβλήματος διάβρωσης που αντιμετωπίζει η περιοχή, ενώ παράλληλα έγινε μια πρώτη πιθανολόγηση των αιτίων του φαινομένου. Στη συνέχεια με τη χρήση των αριθμητικών μοντέλων αναλύθηκε το σενάριο της μηδενικής παρέμβασης (do nothing scenario), προκειμένου αφενός να καταδειχθεί η αναγκαιότητα λήψης μέτρων για την αποτροπή δυσμενέστερων επιπτώσεων και αφετέρου να χρησιμεύσει ως βάση σύγκρισης με τα εναλλακτικά σενάρια λύσεων βασισμένων στη φύση με τη φύτευση λιβαδιών Ποσειδωνίας. Στα τελευταία περιλήφθηκαν τρία διαφορετικά σενάρια φύτευσης λιβαδιών Ποσειδωνίας σε συνδυασμό με την τεχνητή αναπλήρωση της ακτής, σενάρια τα οποία αναλύθηκαν εκτενώς με τη βοήθεια τριών αριθμητικών μοντέλων (κυματικό, υδροδυναμικό και στερεομεταφοράς / μορφολογικό). Τα σενάρια αυτά ήταν: α) η φύτευση δύο διαφορετικών πυκνοτήτων λιβαδιών από την ισοβαθή του 0,5 m έως την ισοβαθή των 2,5 m, β) η φύτευση δύο διαφορετικών πυκνοτήτων λιβαδιών από την ισοβαθή του 1 m έως την ισοβαθή των 2,5 m και γ) η φύτευση δύο διαφορετικών πυκνοτήτων λιβαδιών από την ισοβαθή των 2 m έως την ισοβαθή των 2,5 m. Για την επιλογή του πλέον κατάλληλου σεναρίου φύτευσης, αξιολογήθηκαν οι επιμέρους διδιάστατες απεικονίσεις των αντίστοιχων κυματικών και υδροδυναμικών πεδίων, όπως και του ρυθμού εξέλιξης του πυθμένα. Επιπλέον έγινε συγκριτική διαγραμματική ανάλυση των αποτελεσμάτων του ύψους κύματος, της ταχύτητας των ρευμάτων και του ρυθμού εξέλιξης του πυθμένα που υπολογίσθηκαν σε πέντε νοητές εγκάρσιες διατομές οι οποίες χαράχθηκαν από την ακτή μέχρι τα ανοιχτά της περιοχής μελέτης. Τέλος, ελήφθη ιδιαιτέρως υπόψη το βάθος στο οποίο μπορεί να επιβιώσει η Ποσειδωνία ανάλογα με το πόσο εκτεθειμένη είναι η ακτή στη δράση των κυματισμών, σύμφωνα με τη σχετική βιβλιογραφία. Κατόπιν λοιπόν της σχετικής ακτομηχανικής διερεύνησης, μεταξύ των σεναρίων που περιλαμβάνουν τη φύτευση λιβαδιών Ποσειδωνίας, εκείνο που κρίθηκε ως το πλέον κατάλληλο για την αντιδιαβρωτική προστασία της παράκτιας ζώνης της Νέας Κορώνης, ήταν αυτό της φύτευσης λιβαδιών Ποσειδωνίας από την ισοβαθή του 1 m έως την ισοβαθή των 2,5 m σε πυκνότητα 180 stems/m2 και σε συνδυασμό με την τεχνητή αναπλήρωση της ακτής από χονδρόκοκκη άμμο.	el
heal.abstract	The problem of coastal erosion has concerned the scientific community, local societies and decision-making centers of all levels, for decades. Indeed, due to climate change, which is accompanied by the sea level rise and the increase of frequency and intensity of extreme weather events, coastal erosion is expected to be even higher on the agenda of all parties involved, as it is estimated that it will cause incalculable damage to infrastructure and will affect the lives of millions of people. In the vast majority of cases, the preferred solution to deal with the phenomenon is the application of hard measures to erect a wall of protection against the threat. However, although this tactic is often unavoidable, as in the case of low elevation coastal zones, it does not always solve the problem. On the contrary, it is often accompanied by undesirable effects, such as the interruption of littoral sediment supply along the coasts resulting in their erosion. So, instead of being solved, the problem is being fed back. In addition, the implementation of hard solutions to combat coastal erosion, on the one hand, deprives people of the opportunity to visit coasts and sea, and on the other hand, often causes irreparable damage to marine habitats and ecosystems. Finally, these are extremely expensive infrastructures which in several cases do not justify the excessive costs of their construction and maintenance. Of course, we have to admit that the prevention of erosion is an extremely complex undertaking and it is not always easy to assess the possible long-term effects of human interventions aimed at dealing with it. However, knowing enough about the significant disadvantages that accompany the implementation of hard protection measures, the efforts of all parties involved have begun to turn in the last two decades to the implementation of softer, more environmentally friendly protection measures. Even more recently and now strongly facing the devastating effects of climate change, both scientific research and market players in many sectors began to turn to the effort of finding solutions and producing products that would have the minimum possible environmental impact. In addition, the successive global economic crises made even more intense the need to find innovative solutions in various matters, with the same or similar result as conventional, but significantly reduced costs. On this basis, in the field of coastal engineering and in particular concerning the protection of coasts from flooding and erosion, measures aimed at strengthening the level of flood and erosion protection, in collaboration with natural processes (Nature-Based Solutions). One such measure is the reduction of wave energy by natural barriers, such as seagrass. In the context of this category of nature-based solutions against erosion, in the present thesis a coastal engineering investigation was carried out, to examine through mathematical simulation, the capabilities of the seagrass Posidonia Oceanica that thrives in the Mediterranean, to protect coasts from erosion. The research methodology followed initially included the calibration process of the basic numerical models used (wave and hydrodynamic). In order to achieve the calibration, two experimental setups concerning the wave height attenuation induced by submerged meadows of artificial Posidonia Oceanica and one experimental setup concerning the hydrodynamic conditions prevailing in and around a finite patch of emergent artificial vegetation of two different densities, were simulated. In particular, following an initial assessment of the value of various parameters, such as the coefficient of energy losses due to the presence of vegetation, the numerical results were extracted. Then these measurements were compared with the corresponding experimental measurements and following the criterion of the best convergence between them, each numerical model was calibrated appropriately. Subsequently, the appropriately calibrated numerical models were used in coastal engineering investigation aimed to examine the capabilities of Posidonia Oceanica to protect a real coastal zone from erosion. The chosen coastal zone is Nea Koroni, located in the western Messinian Gulf, Greece. Here the research interest was initially focused on the description of the existing situation and the highlighting of the extensive erosion problem this coast has been facing, while at the same time a first hypothesis of the erosion causes was made. Then, by using numerical models, the do nothing scenario was analyzed, on the one hand, to demonstrate the necessity of taking measures to prevent more adverse effects and, on the other hand, to serve as a comparison basis with the alternative planting scenarios of Posidonia Oceanica meadows, as a solution based on nature. The latter included three different planting scenarios, in combination with the artificial nourishment of the coast with sand, scenarios that were extensively investigated with the implementation of the three numerical models (wave, hydrodynamic and sediment transport / morphological). These scenarios were: a) the planting of Posidonia Oceanica from the depth of 0.5 m to the depth of 2.5 m b) the planting of Posidonia Oceanica from the depth of 1 m to the depth of 2.5 m and c) the planting of Posidonia Oceanica from the depth of 2 m to the depth of 2.5 m. For each scenario two different planting densities were examined (180 stems/m2 and 360 stems/m2). For the selection of the most suitable planting scenario, the two-dimensional images of the corresponding wave and hydrodynamic fields, as well as of the rate of bed level change, were evaluated. In addition, a comparative diagrammatic analysis was carried out regarding the results of wave height, current speed and bed level change which were calculated in five imaginary cross-sections drawn from the coast to the offshore of the study area. Finally, particular consideration was given to the depth at which, according to the relevant literature, Posidonia Oceanica can survive depending on how exposed the coast is to wave action. From the relevant coastal engineering investigation, carried out through the numerical models, it was shown that the most suitable Posidonia Oceanica planting scenario is that from the depth of 1 m to the depth of 2.5 m at the density of 180 stems/m2 and in combination with the artificial nourishment of the coast with coarse sand to a width of 5 m.	en
heal.advisorName	Χονδρός, Μιχάλης	el
heal.committeeMemberName	Τσουκαλά, Βασιλική	el
heal.committeeMemberName	Μακρόπουλος, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Χονδρός, Μιχάλης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	295 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false