Numerical modelling of marine macroplastic transport: application to the saronikos gulf, Greece

Pospotikis, Athanasios; Ποσποτίκης, Αθανάσιος

dc.contributor.author	Pospotikis, Athanasios	en
dc.contributor.author	Ποσποτίκης, Αθανάσιος	el
dc.date.accessioned	2026-04-20T11:38:54Z
dc.date.available	2026-04-20T11:38:54Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/64276
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.31971
dc.rights	Default License
dc.subject	Marine plastic pollution	en
dc.subject	Macroplastic transport	en
dc.subject	Lagrangian modelling	en
dc.subject	Particle tracking	en
dc.subject	Numerical simulation	en
dc.subject	Ρύπανση θαλάσσιου περιβάλλοντος	el
dc.subject	Μεταφορά μακροπλαστικών	el
dc.subject	Εντοπισμός σωματιδίων	el
dc.subject	Αριθμητική προσωμοίωση	el
dc.subject	Προσομοίωση lagrange	el
dc.title	Numerical modelling of marine macroplastic transport: application to the saronikos gulf, Greece	en
dc.title	Μαθηματική προσομοίωση θαλάσσιας μεταφοράς μακροπλαστικών: εφαρμογή στον σαρωνικό κόλπο	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Environmental engineering	en
heal.classification	Περιβαλλοντική μηχανική	el
heal.classification	Particle tracking	en
heal.classification	Maritime hydrodynamics	en
heal.classification	Θαλάσσια υδροδυναμική	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2025-10-01
heal.abstract	Macroplastic pollution is a growing environmental crisis, with an estimated 11 million metric tons of plastic waste entering the oceans each year—a figure expected to nearly triple by 2040 if no action is taken. The majority of this pollution originates from land-based sources, including poorly managed waste systems, urban runoff, and littering, particularly in coastal regions and developing countries. Macroplastics, defined as plastic debris larger than 5 mm, consist largely of single-use items such as bags, bottles, and fishing gear. Once in the marine environment, they can persist for decades, harming wildlife through entanglement and ingestion, disrupting ecosystems, and breaking down into microplastics. A significant portion of this debris accumulates in ocean gyres, such as the Great Pacific Garbage Patch, while the rest sinks to the seafloor or washes up on shorelines, creating long-term ecological and economic impacts. This thesis develops a comprehensive Lagrangian-type numerical model to simulate the movement of floating and near-surface macroplastic debris, with particular emphasis on the interplay of ocean currents, wind-induced drift (windage), and wave-driven Stokes drift. The model explicitly incorporates object-specific characteristics such as size and density, allowing for a more physically realistic representation of plastic particle behavior in the marine environment. The modeling framework is implemented in Python and is composed of two main components: (1) the initialization and spatial-temporal interpolation of environmental forcing fields (wind, waves, currents) using data from Copernicus Marine Service and ECMWF; and (2) the particle tracking module, which computes macroplastic trajectories using a custom equation of motion that integrates all relevant transport mechanisms and drag effects. To assess the model's accuracy, validation was performed against experimental observations from a scaled 3D physical model at the fishing shelter of Kato Pyrgos, Cyprus, where the behavior of Posidonia oceanica replicas was analyzed under controlled wave and current conditions. The model successfully replicated key observed transport patterns, including eddy trapping, longshore currents, and beaching behavior. Following validation, the model was applied to the Saronikos Gulf, Greece—a semi-enclosed marine region of high ecological and commercial value. Simulations revealed that under variable meteorological conditions there is not a single primary driver of macroplastic transport. Ocean currents, at least in the open of the Saronikos area and for the modelled cases, have a steady contribution to macroplastic transport, while windage and Stokes drift play complementary roles. More specifically, currents constitute 10 to 30% of the total transport velocity of the particles steadily. Depending on the particle’s density, windage contribution to total transport ranges from 9% (in high plastic densities) up to 50% (in low plastic densities) while Stokes drift’s contribution ranges from 20% (in low densities) up to 50% (in high densities). Density is generally proven to be the most critical parameter of motion, while size (at least in the selected ranges) does not have any significant effect. The outcomes highlight the model's potential as a tool for identifying accumulation zones and informing targeted mitigation strategies. This work contributes to the growing body of research on marine litter dynamics by integrating recent advancements in wave-particle interaction theory and offers a flexible, open-source modeling approach suitable for regional-scale applications. Future work may include the incorporation of stochastic processes, field data calibration, and the extension of the model to multi-particle or ensemble simulations.	en
heal.abstract	Η ρύπανση των ωκεανών από μακροπλαστικά αποτελεί μια αυξανόμενη περιβαλλοντική κρίση, με εκτιμώμενους 11 εκατομμύρια μετρικούς τόνους πλαστικών αποβλήτων να εισέρχονται στους ωκεανούς κάθε χρόνο — ένας αριθμός που αναμένεται να τριπλασιαστεί σχεδόν έως το 2040, εάν δεν ληφθούν μέτρα. Η πλειονότητα αυτής της ρύπανσης προέρχεται από χερσαίες πηγές, όπως κακώς διαχειριζόμενα συστήματα αποβλήτων, απορροές από αστικές περιοχές και ρίψη απορριμμάτων, ιδιαίτερα σε παράκτιες περιοχές και αναπτυσσόμενες χώρες. Τα μακροπλαστικά, δηλαδή πλαστικά σωματίδια μεγαλύτερα από 5 χιλιοστά, αποτελούνται κυρίως από προϊόντα μίας χρήσης, όπως σακούλες, μπουκάλια και αλιευτικά εργαλεία. Μόλις εισέλθουν στο θαλάσσιο περιβάλλον, μπορούν να παραμείνουν για δεκαετίες, προκαλώντας βλάβες στην πανίδα μέσω εμπλοκής ή κατάποσης, διαταράσσοντας τα οικοσυστήματα και τελικά διασπώνται σε μικροπλαστικά. Σημαντικό μέρος αυτών των απορριμμάτων συσσωρεύεται σε θαλάσσιους στροβίλους, όπως το Great Pacific Garbage Patch, ενώ τα υπόλοιπα καταλήγουν στον πυθμένα των ωκεανών ή ξεβράζονται στις ακτές, προκαλώντας μακροπρόθεσμες οικολογικές και οικονομικές επιπτώσεις.. Στην παρούσα εργασία αναπτύχθηκε ένα ολοκληρωμένο αριθμητικό μοντέλο τύπου Lagrange για την προσομοίωση της μεταφοράς επιπλεόντων ή κοντά στην επιφάνεια μακροπλαστικών, λαμβάνοντας υπόψη τη συνδυαστική επίδραση των θαλάσσιων ρευμάτων, του ανέμου (windage) και της κυματικής μεταφοράς τύπου Stokes. Το μοντέλο ενσωματώνει χαρακτηριστικά του αντικειμένου, όπως το μέγεθος και η πυκνότητα, ώστε να αποδίδεται πιο ρεαλιστικά η συμπεριφορά των πλαστικών σωματιδίων. Υλοποιήθηκε σε γλώσσα Python και αποτελείται από δύο βασικά σκέλη: (1) την αρχικοποίηση και χωροχρονική παρεμβολή των πεδίων περιβαλλοντικών καταναγκασμών (άνεμος, κύματα, ρεύματα) με χρήση δεδομένων από το Copernicus Marine Service και το ECMWF, και (2) την προσομοίωση της κίνησης των σωματιδίων μέσω εξισώσεων που συνδυάζουν τα προαναφερθέντα φαινόμενα με τους όρους οπισθέλκουσας. Για την αξιολόγηση της ακρίβειας του μοντέλου, πραγματοποιήθηκε πειραματική επικύρωση σε φυσικό πρότυπο (3D basin) στο αλιευτικό καταφύγιο του Κάτω Πύργου Κύπρου, όπου μελετήθηκε η κίνηση προσομοιωμάτων φυκιών Posidonia oceanica υπό ελεγχόμενες κυματικές και ρευματικές συνθήκες. Το μοντέλο αναπαρήγαγε με επιτυχία παρατηρούμενα πρότυπα μεταφοράς, όπως εγκλωβισμό σε δίνες, παράκτιους ρεύματα και προσάραξη (beaching). Έπειτα, το μοντέλο εφαρμόστηκε στον Σαρωνικό Κόλπο, μια ημίκλειστη θαλάσσια περιοχή με σημαντική περιβαλλοντική και εμπορική αξία. Οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι υπό μεταβαλλόμενες μετεωρολογικές συνθήκες δεν υπάρχει ένας και μόνο κυρίαρχος μηχανισμός μεταφοράς μακροπλαστικών. Τα θαλάσσια ρεύματα, τουλάχιστον στην ανοιχτή περιοχή του Σαρωνικού και για τις περιπτώσεις που προσομοιώθηκαν, συμβάλλουν σταθερά στη μεταφορά των μακροπλαστικών, ενώ η επίδραση του ανέμου (windage) και το Stokes 11 drift διαδραματίζουν συμπληρωματικό ρόλο, ιδιαίτερα υπό συνθήκες μεταβαλλόμενου καιρού. Πιο συγκεκριμένα, τα ρεύματα αντιστοιχούν σταθερά στο 10 έως 30% της συνολικής ταχύτητας μεταφοράς των σωματιδίων. Ανάλογα με την πυκνότητα των σωματιδίων, η συμβολή του ανέμου στη συνολική μεταφορά κυμαίνεται από 9% (σε υψηλές πυκνότητες πλαστικού) έως 50% (σε χαμηλές πυκνότητες), ενώ η συμβολή του Stokes drift κυμαίνεται από 20% (σε χαμηλές πυκνότητες) έως 50% (σε υψηλές πυκνότητες). Η πυκνότητα αποδεικνύεται γενικά ως η πιο καθοριστική παράμετρος για την κίνηση των σωματιδίων, ενώ το μέγεθος (τουλάχιστον στα επιλεγμένα εύρη) δεν έχει σημαντική επίδραση. Τα αποτελέσματα αναδεικνύουν τις δυνατότητες του μοντέλου ως εργαλείο εντοπισμού ζωνών συσσώρευσης και διαμόρφωσης στοχευμένων στρατηγικών μετριασμού της ρύπανσης. Η εργασία συμβάλλει στην εμβάθυνση της γνώσης γύρω από τη μεταφορά μακροπλαστικών σε θαλάσσια περιβάλλοντα, ενσωματώνοντας σύγχρονες θεωρίες αλληλεπίδρασης κυμάτων-σωματιδίων, και προσφέρει ένα ευέλικτο, ανοικτού κώδικα υπολογιστικό εργαλείο για εφαρμογές σε περιφερειακή κλίμακα. Προτεινόμενες επεκτάσεις περιλαμβάνουν την εισαγωγή στοχαστικών όρων, τη βαθμονόμηση με πραγματικά δεδομένα πεδίου και την επέκταση σε πολυσωματιδιακές προσομοιώσεις.	el
heal.advisorName	Χονδρός, Μιχάλης	el
heal.committeeMemberName	Χονδρός, Μιχάλης	el
heal.committeeMemberName	Τσουκαλά, Βασιλική	el
heal.committeeMemberName	Μαλαμής, Συμεών	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.fullTextAvailability	false