Τρισδιάστατη αριθμητική προσομοίωση της υδροδυναμικής κυκλοφορίας του Πατραϊκού κόλπου με έμφαση στον υπολογισμό ρευμάτων στην παράκτι...

Abstract

The hydrodynamic circulation in the Gulf of Patras, in Western Greece, is studied using three-dimensional numerical simulations. The simulations are performed using the three-dimensional modeling system MIKE 3 FM (HD/TR). The wind-induced circulation is examined in the natural basin of the Gulf of Patras, in which batotropic flow develops, according to field measurements, during the winter months. The simulations show that the wind-induced flow creates strong currents near the coasts, which determine the sense of rotation of the gyres that develop in the Gulf. Strong currents are also created at the Rio-Antirio straits. The wind-induced, barotropic currents do not seem to contribute to the renewal of bottom waters, which recirculate between the two sills. Depending on the speed of the wind forcing the flow, the residence time of the waters in the Gulf of Patras is estimated to range from one month to one week. The tide-induced circulation is important in the Gulf of Patras. Strong, tidal currents have been simulated to develop at the straits of Rio-Antirrio and in the main body of the Gulf, with cyclonic and anticyclonic eddies developing at the northern and southern coasts, respectively. When there is also wind blowing, nearshore gyres develop, the sense of rotation of which is by the wind direction, while in the central part of the Gulf the flow pattern is dictated by the tidal action. Further, the baroclinic wind and tide-induced circulation are studied to investigate the effect of stratification on the structure of the flow. During the summer period the wind-induced flow and the wind generated turbulence driven by winds of medium strength are restricted to the upper layer of the epilimnion, while the strong winds cause tilt and erosion of the thermocline in the central part of the Gulf and generation of internal waves at the straits of Rio-Antirio. Salient features of the summer circulation are the strong upwellings and the central cyclonic gyre which are predicted using numerical simulations. Upwellings occur along the northwesterly portion of the Nafpaktos bay coasts at the westerly part of the Gulf of Corinth, under southwesterly wind, and to the south of Rio cape at the front of the city of Patras, under northeasterly wind. Concerning with the central cyclonic eddy, according to numerical simulations it develops exclusively during the flood tide under the simultaneous action of northeasterly winds. The numerical predictions were validated against satellite images of the surface temperature field determined by NOAA-6 and NOAA-7 which closely confirm the simulation results. Finally, the simulated barotropic and baroclinic flow fields are applied to the calculation of the currents near the port of Patras and to the advection and diffusion of the treated sewage effluents disposed of near the southeasterly coast of the Gulf, near the city of Patras.

Μελετάται αριθμητικά η υδροδυναμική κυκλοφορία του Πατραϊκού κόλπου. Σκοπό αποτελεί η κατανόηση της τρισδιάστατης δομής της ροής που προκαλείται υπό διάφορες φυσικές φορτίσεις, δηλαδή τον άνεμο, την παλίρροια και τη στρωμάτωση. Η αριθμητική προσομοίωση γίνεται με τον τρισδιάστατο αριθμητικό κώδικας πεπερασμένων όγκων MIKE 3 FM (HD,TR). Η ανεμογενής κυκλοφορία, κατά τους χειμερινούς μήνες οπότε ο κόλπος σύμφωνα με μετρήσεις είναι ομογενής, παρουσιάζει στοιχεία ροής μεγάλης κλίμακας, με επιρροή από τη δύναμη Coriolis, ανάπτυξη στρώματος Ekman και ισχυρά ρεύματα επιστροφής, λίγα μέτρα κάτω από την ελεύθερη επιφάνεια. Ταυτόχρονα, σε περιοχές όπως η θέση του στενού Ρίου-Αντιρρίου η ροή συμπεριφέρεται περισσότερο ως υδραυλική ροή με ταπείνωση της ελεύθερης επιφάνειας και κατακόρυφο προφίλ ταχύτητας, όμοιο με της τυρβώδους ροής Couette. Στην οριζόντια διεύθυνση, η ροή παρουσιάζει έντονα παράκτια ρεύματα και κλίση της ελεύθερης επιφάνειας. Εκτιμάται ότι ο χρόνος ανανέωσης των υδάτων για τον κόλπο θα κυμαίνεται από ένα μήνα έως μία εβδομάδα, ανάλογα με την ένταση του ανέμου. Φαίνεται ότι στα βαθύτερα στρώματα του Πατραϊκού η ανεμογενής ροή δεν επιδρά σημαντικά στην ανανέωση των υδάτων, τα οποία παραμένουν εγκλωβισμένα και επανακυκλοφορούν μεταξύ των δύο εγκάρσιων ραχών που οριοθετούν την λεκάνη του. Τα παλιρροϊκά ρεύματα, τα οποία είναι σημαντικά στον Πατραϊκό, καθορίζουν την κυκλοφορία των υδάτων στο κύριο σώμα του κόλπου και στο στενό Ρίου-Αντιρρίου, ενώ η ανεμογενής ροή είναι καθοριστική κοντά στις ακτές. Η συνδυασμένη δράση ανέμου και παλίρροιας προκαλεί κυκλωνικούς και αντικυκλωνικούς στροβίλους, πλησίον των βορείων και νοτίων ακτών του Πατραϊκού, η φορά των οποίων υπαγορεύεται αποκλειστικά από τα ισχυρά ανεμογενή παράκτια ρεύματα. Η μελέτη της καλοκαιρινής κυκλοφορίας αναδεικνύει σημαντικές διαφορές, σε σύγκριση με την χειμερινή κυκλοφορία των υδάτων στον Πατραϊκό κόλπο. Τα ανεμογενή ρεύματα είναι αμελητέα από τη ζώνη του θερμοκλινούς και κάτω, για τη μέση ένταση ανέμου, ενώ η ένταση της τύρβης περιορίζεται στο επιλίμνιο. Την καλοκαιρινή περίοδο η δράση νοτιοδυτικού ανέμου συνδέεται με την παρουσία αναβλύσεων στις βορειοδυτικές ακτές του όρμου της Ναυπάκτου και στο μέτωπο της λιμνοθάλασσας του Μεσολογγίου. Αναβλύσεις εντοπίζονται και νοτιοδυτικά του Ρίου, μπροστά από την πόλη των Πατρών, για βορειοανατολικούς ανέμους. Στο στενό Ρίου-Αντιρρίου η δράση του ανέμου, αλλά και η παλίρροια οδηγούν στη γένεση εσωτερικών κυμάτων τα οποία προκαλούν κατακόρυφη κυκλοφορία. Κύριο χαρακτηριστικό της κυκλοφορίας των υδάτων στον Πατραϊκό, την καλοκαιρινή περίοδο, είναι ο ισχυρός κυκλωνικός στρόβιλος που παρατηρείται στο κέντρο του κόλπου αναγκάζοντας τα ύδατα σε περιστροφική κίνηση. Με βάση τις αριθμητικές προσομοιώσεις η ύπαρξη ισχυρού κυκλωνικού στροβίλου συνδέεται αποκλειστικά με την παρουσία βορειοανατολικού ανέμου και συγκεκριμένα στη φάση της πλημμυρίδας. Τέλος, με βάση τις αριθμητικές προσομοιώσεις υπολογίζεται το τρισδιάστατο πεδίο ρευμάτων στην ευρύτερη περιοχή του παλαιού και νέου λιμένα Πατρών, καθώς και η διάχυση και μεταφορά των επεξεργασμένων λυμάτων από τον αγωγό της ΔΕΥΑΠ.