Μαθηματικά ομοιώματα των φυσικών διεργασιών σε φερτές ύλες που εισρέουν στο θαλάσσιο περιβάλλον από φυσικές ή ανθρωπογενείς, σημειακές ή κατανεμημένες πηγές

Abstract

The knowledge of the movement of fine-grained sediments in the marine environment is of special interest, so much scientific, due to the complexity and the interactions of the physical processes involved, extending from the microscale of the cohesive flock to the macroscale of the hydrodynamic domain, as much practical, due to the wide field of application of such prognoses, with impacts on economic fields, as well as on the quality of the marine environment. This was the objective of the present doctoral thesis and, more specifically, the investigation of the phenomena affecting the movement of cohesive sediment, that enter the aquatic environment from various sources, point or distributed, and their mathematical description for the formulation of an integrated model capable of describing these phenomena with the optimal possible totality and proximity to the natural domain. Under this reasoning a three-dimensional mathematical model was formulated, using the tracer method, to describe the pelagic and benthic processes and the mass-exchange processes between the column and the seabed. Amongst the pelagic processes mathematically expressed, apart from the mass transport and dispersion, are the flocculation and deflocculation of the cohesive flocs, the potential matter entrapment in cases of strong stratification of the column, and the settling of the cohesive flocs towards the seabed. The benthic processes include shear stress conditions, matter deposition and gradual consolidation of deposited sediments, and the erosion of the seabed, either physical, due to currents, or artificial, due to fishing with towed gear, as well as the action of filter-feeding organisms (benthic ascidia). The application of the model was performed in the Thermaikos Gulf, with various simulations, so much of different material sources, as much as temporal periods. Objective of these applications, apart from the validation of the model based on in-situ measurements, was the study of the transport of sedimentary material and the sedimentation in the gulf from the major suppliers of fine-grained matter in of the area (rivers, atmosphere and seabed-erosion). The applications of the model demonstrated the its effectiveness, its originality, as well as the flexibility to simulate different sedimentary material sources, point or distributed, natural or anthropogenic, and to extract interesting results and significant deductions.

Η γνώση της κίνησης των λεπτόκοκκων φερτών υλών στο θαλάσσιο περιβάλλον παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον, τόσο επιστημονικό, λόγω της πολυπλοκότητας και της αλληλεπίδρασης των φυσικών διεργασιών που εμπλέκονται, οι οποίες εκτείνονται από τη μικροκλίμακα του συνεκτικού κόκκου έως τη μακροκλίμακα του υδροδυναμικού πεδίου, όσο και πρακτικό, λόγω του μεγάλου εύρους του πεδίου εφαρμογής τέτοιων προγνώσεων, με επιπτώσεις σε οικονομικούς τομείς, αλλά και στην ποιότητα του θαλάσσιου περιβάλλοντος. Αυτός ήταν και ο στόχος της παρούσας διατριβής, και, ειδικότερα, η διερεύνηση των φαινομένων που επιδρούν στην κίνηση των συνεκτικών φερτών υλών, που εισρέουν στο θαλάσσιο περιβάλλον από διάφορες πηγές, σημειακές ή κατανεμημένες, και η μαθηματική τους περιγραφή για τη διαμόρφωση ενός ολοκληρωμένου μοντέλου, ικανού να περιγράψει τα φαινόμενα αυτά με τη βέλτιστη δυνατή πληρότητα και εγγύτητα προς το φυσικό πεδίο. Υπό το πρίσμα αυτό καταστρώθηκε τρισδιάστατο μαθηματικό μοντέλο, βάσει της μεθόδου του ιχνηθέτη, περιγραφής των διεργασιών της στήλης του νερού, του ορίου του πυθμένα και των διεργασιών ανταλλαγής υλικού μεταξύ στήλης και πυθμένα. Στις διεργασίες της υδάτινης στήλης, εκτός της μεταφοράς και διασποράς μάζας, περιγράφησαν μαθηματικά η συσσωμάτωση και η διάσπαση των συνεκτικών κόκκων, η πιθανή παγίδευση υλικού, σε περιπτώσεις ισχυρής στρωμάτωσης της στήλης του νερού και η καθίζηση των συνεκτικών κόκκων προς τον πυθμένα. Στις διεργασίες πυθμένα περιλαμβάνονται οι συνθήκες διάτμησης στο όριο, η απόθεση υλικού και η σταδιακή στερεοποίηση του αποτιθεμένου υλικού και η διάβρωση του πυθμένα, φυσική, λόγω των θαλασσίων ρευμάτων, ή και τεχνητή, λόγω της αλίευσης με συρόμενα μηχανικά μέσα, όπως και η δράση διηθηματοφάγων οργανισμών (βενθικών ασκιδίων). Η εφαρμογή του μοντέλου έγινε στο Θερμαϊκό Κόλπο, με διάφορες προσομοιώσεις, τόσο διαφορετικών πηγών υλικού, όσο και χρονικών περιόδων. Στόχος των εφαρμογών αυτών, εκτός από τον έλεγχο της αποτελεσματικότητας του μοντέλου βάσει επιτόπου μετρήσεων, ήταν η μελέτη της μεταφοράς φερτών υλών και της ιζηματογένεσης στον Κόλπο από τους σημαντικότερους τροφοδότες λεπτόκοκκου υλικού της περιοχής (ποταμοί, ατμόσφαιρα, διάβρωση πυθμένα). Οι εφαρμογές του μοντέλου κατέδειξαν την αποτελεσματικότητά του, την πρωτοτυπία του αλλά και την ευελιξία προσομοίωσης διαφορετικών όρων πηγής φερτών υλών, σημειακών ή κατανεμημένων, φυσικών ή ανθρωπογενών και εξαγωγής ενδιαφερόντων αποτελεσμάτων και σημαντικών συμπερασμάτων.