Μαθηματική προσομοίωση πλουμίου αιωρούμενων στερεών από θαλάσσια βυθοκόρηση

Abstract

Η εκσκαφή του πυθμένα της θάλασσας προκειμένου να ληφθεί αμμώδες υλικό, προοριζόμενο για διάφορες χρήσεις π.χ. ως υλικό επιχωμάτωσης ή ως υλικό πλήρωσης τεχνητής παραλίας στην ακτή, αποτελεί μια συχνή ανθρώπινη παρέμβαση στον παράκτιο χώρο της θάλασσας. Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία γίνεται διερεύνηση των συνθηκών του παράκτιου περιβάλλοντος στην περιοχή της Επανομής στον Θερμαϊκό Κόλπο. Πιο συγκεκριμένα, μελετάται η υδροδυναμική συμπεριφορά και η συμπεριφορά του πλουμίου των αιωρούμενων στερεών που έχουν προέλθει από βυθοκόρηση του πυθμένα ώστε να χρησιμοποιηθεί ως υλικό για την προέκταση ενός προβλήτα στο Λιμένα Θεσσαλονίκης, καθώς και ο χρόνος επαναπλήρωσης του ορύγματος. Η διερεύνηση των επιπτώσεων της συμπεριφοράς του πλουμίου των αιωρούμενων στερεών από τις περιοχές του ορύγματος και περιβαλλοντικού ενδιαφέροντος (π.χ. ακτές) αποτελούν στόχο της εργασίας. Οι υπολογισμοί πραγματοποιήθηκαν με τον υπολογιστικό κώδικα FLOW-3DL που έχει δομηθεί στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Υδραυλικής της Σχολής Πολιτικών Μηχανικών Ε.Μ.Π. 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 διαφορικούς όγκους 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. Στη συνέχεια, από την εφαρμογή του μοντέλου υπολογίστηκε ο ρυθμός επαναπλήρωσης κατά τις διευθύνσεις του βάθους και μήκους μιας λωρίδας μήκους 200 m του υποβρυχίου ορύγματος που έχει βάθος 2.0 m, χρησιμοποιώντας τα υδροδυναμικά πεδία που προέκυψαν για την ευρύτερη περιοχή του Θερμαϊκού Κόλπου. Τέλος, για τους υπολογισμούς προσομοίωσης της ποιότητας των θαλάσσιων νερών κατά την απόληψη υλικών προσδιορίστηκε η κατανομή των συγκεντρώσεων των στερεών στη περιοχή που καταλαμβάνει το όρυγμα και εξετάστηκε η εξάπλωση τους από το κέντρο του ορύγματος. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τη χρήση του μοντέλου για όλα τα σενάρια, είναι πως η πορεία της φλέβας των αιωρούμενων στερεών ακολουθεί, όπως αναμενόταν, το παράκτιο ρεύμα. Στην περιοχή της θέση βυθοκόρησης η μέγιστη τιμή της ολικής συγκέντρωσης των αιωρούμενων στερεών είναι ίση με περίπου 184 mg/L. Ακολουθώντας την πορεία του πλουμίου ( ή του ρεύματος) σε απόσταση περίπου ίση με x=400 m από τη θέση βυθοκόρησης η ολική συγκέντρωση των αιωρούμενων στερεών έχει μειωθεί δραστικά και κυμαίνεται από 0.6 μέχρι 9.0 mg/L. Επιπρόσθετα, οι μέγιστες τιμές των μέσων χρονικά τιμών των συγκεντρώσεων στερεών, που είναι αυτές που ενδιαφέρουν πρακτικά, σε αποστάσεις x=50 m και x=100 m από τη θέση βυθοκόρησης δεν ξεπερνούν τα 22.9 και 7.2 mg/L, αντίστοιχα. Οι τιμές αυτές είναι μικρές εξαιτίας της εφαρμοζόμενης μη συνεχούς διεργασίας βυθοκόρησης (2 ώρες σε κάθε 6 ώρες του πραγματικού χρόνου), αλλά και της διεύθυνσης των παράκτιων ρευμάτων και vi δείχνουν ότι η επίδραση της διεργασίας της βυθοκόρησης στην ποιότητα των νερών αναμένεται να είναι περιορισμένη.

Marine aggregate mining for construction and fill purposes is an activity that unavoidably has impacts on the environment. During the operation of aggregate dredging sand is drawn from the seabed to the vessel. Within the dredged area, the persistence of physical impacts depends on the characteristics of the dredged material and the potential for natural disturbances that may infill the pits or scours formed by the activity. The study of sediment plumes can be performed with the use of mathematical models, which predict the flow field and the sediment concentration with the plume and the sediment transport. In the present thesis a mathematical model is applied to determine the fate of the sediment plume during dredging in the coastal region of the Inner Thermaikos Gulf in Thessalonica. The dredged materials will be used in the construction of the extension of a pier of the Harbour of Thessalinica.