Ολοκληρωμένη εκτίμηση της διάβρωσης των ακτών λόγω της ανύψωσης της στάθμης της θάλασσας

Abstract

Beach erosion is a major global problem with serious physical and socio-economic impacts. Beach erosion can be differentiated into: (i) long-term erosion, i.e. irreversible retreat of the shoreline position, mainly due to sea level rise; and (ii) short-term erosion, caused by storms and storm surges, which may not necessarily result in permanent shoreline retreats. The main objective of the present study is to develop a new methodology/tool that will be able to assess the range of the beach retreat for different morphologically beaches, under different scenarios of long-term and short-term sea level rise and different conditions and forcings. Towards this objective (a) a state-of-the-art 1-D morphodynamic model based on nonlinear breaking wave Boussinesq-type equations and (b) ensembles (a short-term and a long-term) of analytical and numerical morphodynamic models of varied complexity are used.The study showed (a) that all models predict significant coastal retreats due to the predicted sea level rise, (b) differential sensitivity of the models to the morphological, sedimentary and hydrodynamic conditions, and (c) that the range of predictions resulted by the sophisticated Boussinesq model is similar to that of the ensembles, although these consist of more simple models. Many different dissipative and intermediate beaches were examined. The envelope of beach retreat under different scenarios of sea level rise was estimated, the minimum and maximum limits of which were found to be described by the following expressions: s = 0.39 α2 + 8.87 α - 0.25 (minimum) and s = -0.82 α2 +32.43 α +0.81 (maximum) (Boussinesq model)• and s = 0.33 α2 + 7.4 α – 0.14 (minimum) and s = 0.74 α2 + 28.9 α +4.9 (maximum) (integrated ensemble), where s the beach retreat and α the sea level rise. The coherence of the means of the ensembles with the elaborate Boussinesq model that has been validated by experiments, suggests that these models operate well in an ensemble manner. Nevertheless, the coherence of the results does not quarantee the detailed description of the beach erosion processes for individual beaches• it shows, however, the validity of the uppermost and lowermost limits of the predictions, which can be used for general applications and large-scale forecasts of beach erosion/retreat due to sea level rise. The tool suggested in the present work is fast and easy to use, has insignificant cost of application, does not require particular know-how and can be used, by almost anyone, for a rapid assessment of the beach erosion caused by sea level rise at various spatial scales (from local to global). Its only requirement for worst-case scenario projections is the width of the beach.

Η παράκτια διάβρωση, η οποία αποτελεί σήμερα ένα σημαντικότατο φυσικό και κοινωνικο-οικονομικό πρόβλημα, διακρίνεται σε: (i) μακροχρόνια διάβρωση, δηλαδή μη αναστρέψιμη μακροχρόνια οπισθοχώρηση της ακτογραμμής, λόγω ανόδου της θαλάσσιας στάθμης και/ή αρνητικών παράκτιων ιζηματικών ισοζυγίων και (ii) βραχυχρόνια διάβρωση, η οποία οφείλεται κυρίως σε ακραία φαινόμενα (μετεωρολογικές παλίρροιες (storm surges) και θυελλώδεις κυματισμούς), τα οποία μπορεί να μην προκαλούν μόνιμες οπισθοχωρήσεις της ακτογραμμής. Ο κύριος σκοπός της παρούσας μελέτης είναι η ανάπτυξη μιας νέας μεθοδολογίας/εργαλείου για την διάγνωση και πρόβλεψη της παραλιακής οπισθοχώρησης κάτω από διαφορετικές μακροχρόνιες και βραχυχρόνιες ανόδους της θαλάσσιας στάθμης και διαφορετικές μορφολογικές, υδροδυναμικές και ιζηματολογικές οδηγήσεις. Για την επίτευξη του στόχου χρησιμοποιήθηκαν: (α) ένα προηγμένο 1-D μορφοδυναμικό μοντέλο, που βασίζεται στις εξισώσεις διασπειρόμενων, μη γραμμικών κυματισμών τύπου Boussinesq και (β) 2 συστοιχίες (1 βραχυχρόνια και 1 μακροχρόνια) διαφορετικών αναλυτικών και αριθμητικών μορφοδυναμικών μοντέλων. Η μελέτη έδειξε (α) ότι όλα τα μοντέλα προβλέπουν σημαντική παράκτια οπισθοχώρηση λόγω της προβλεπόμενης ανόδου της μέσης θαλάσσιας στάθμης, (β) διαφορετική ευαισθησία των μοντέλων στις μορφολογικές, ιζηματολογικές και υδροδυναμικές συνθήκες και (γ) ότι το εύρος των εκτιμήσεων του εξελιγμένου μοντέλου Boussinesq είναι παρόμοιο με εκείνο των συστοιχιών που αποτελούνται από πιο απλά και εύχρηστα μοντέλα. Έγινε παραμετροποίηση της παραλιακής οπισθοχώρησης έπειτα από έναν μεγάλο αριθμό πειραμάτων (23528) και βρέθηκε ότι για απορροφητικές και ενδιάμεσες παραλίες τα κατώτερα και ανώτερα όρια της διάβρωσης δίνονται από τις ακόλουθες εκφράσεις: s = 0.39 α2 + 8.87 α - 0.25 (κατώτερο) και s = -0.82 α2 +32.43 α +0.81 (ανώτερο) (μοντέλο Boussinesq)• και s = 0.33 α2 + 7.4 α – 0.14 (κατώτερο) και s = 0.74 α2 + 28.9 α +4.9 (ανώτερο) (ενιαία συστοιχία 5 μοντέλων), όπου s η παραλιακή οπισθοχώρηση και α η άνοδος της θαλάσσιας στάθμης. Η συνάφεια των αποτελεσμάτων των συστοιχιών με το μοντέλο Boussinesq το οποίο έχει αξιολογηθεί με φυσικά πειράματα σημαίνει ότι τα μοντέλα αυτά δουλεύουν καλά με τη μορφή της συστοιχίας. Η συνάφεια αυτή δεν εγγυάται τη χρήση των συστοιχιών για τη λεπτομερή περιγραφή των διεργασιών οπισθοχώρησης σε μεμονωμένες παραλίες• αποδεικνύει όμως την εγκυρότητα των ανώτερων και κατώτερων ορίων των προβλέψεων τους, των οποίων ενδείκνυται η χρήση για γενικευμένες εφαρμογές και για μεγάλης κλίμακας προβλέψεις. Το εργαλείο που αναπτύχθηκε στην παρούσα μελέτη (αντίθετα με όλα τα υπάρχοντα εργαλεία) έχει πολύ μικρό/μηδαμινό κόστος εφαρμογής, είναι εύκολο και γρήγορο στην εφαρμογή του, δεν απαιτεί ιδιαίτερη τεχνογνωσία και μπορεί να χρησιμοποιηθεί εύκολα από κάποιο παράκτιο μελετητή/διαχειριστή που θέλει να έχει μια πρώτη εκτίμηση της διάβρωσης που θα προκληθεί από την άνοδο της θαλάσσιας στάθμης σε μεγάλες χωρικές κλίμακες. Η μόνη απαίτηση σε περιβαλλοντικά δεδομένα είναι πληροφορία σχετική με το παραλιακό εύρος, η οποία όμως μπορεί να βρεθεί εύκολα από web-GIS εφαρμογές (π.χ. Google Earth).