Περιγραφή και προσομοίωση συμπεριφοράς πλουμίου του ποταμού Νέστου: διερεύνηση των επιπτώσεων στα εκβολικά συστήματα

Abstract

The aim of the present thesis is the study of Nestos River plume, in terms of quantitative and qualitative characteristics, and to elucidate its effect on the coastal zone of the estuary and Kavala Gulf. Another primary objective of the current thesis is to study the Nestos River plume evolution in time and to determine the degree of influence of various factors such as discharge, tides, wind speed and direction on its behavior. For this purpose, the hydrodynamic mathematical model ELCOM was used. Regarding Nestos River, the results showed that the dam construction caused the partitioning of river basin creating three parts with different hydrological and physicochemical characteristics: the upstream part, the lake system of reservoirs and the downstream part. The flow in the upstream part occurs almost natural, while in the downstream part it depends on the energy requirements and the operation of dams. According to nutrient concentrations measurements, the upstream part is considered more eutrophic, suggesting organic pollution transported from Bulgaria. Dam’s interference caused physical and chemical characteristics alterations in the water quality of the downstream part. The retention percentage of suspended solids in the system of reservoirs reached 99%, which also affects the distribution of heavy metals concentrations in river sediments. For DIN and DIP, the retention rate was calculated to 63.7% and 61.9%, respectively. Silicate (DSi) showed different behavior and the concentrations were found higher in the downstream part. Nestos plume occupied a surface area ranging between 21.1 km2 (August 2007) and 570.2 km2 (March 2006), depending on river flow. Similarly, the plume volume was estimated between 0.1 × 106 m3 (August 2006) and 172 × 106 m3 (March 2006). The corresponding plume formed by riverine nutrient loads showed similar shape to that of salinity, but having lesser extent in all the examined cases. The removal of nutrients from the plume occurred through mixing and by assimilation from photosynthetic organisms. The examination of nutrient stoichiometry inside the plume showed that the ‘trace’ of river water was kept almost unchanged in the plume under flood conditions, even inside Kavala Gulf. At intermediate discharge conditions the stoichiometry can be changed even within the plume. However, in most of these cases the area of the mouth has the same characteristics as the water of Nestos River. At low flow, the stoichiometry may be altered even at the mouth area.Nestos plume is always hypopycnal, as the freshwater looses contact with the bottom immediately after exiting the mouth, regardless of flow magnitude. In almost all cases examined in 2006 the plume can be described as a large scale feature, meaning that the Coriolis effect is important for its behavior. On the contrary, in 2007 the plume is considered as small scale and thus inertial forces prevail. According to Froude number values, the plume of Nestos River is mostly characterized as subcritical. The results of ELCOM model showed that the plume’s behavior is mainly affected by river discharge and wind direction. Under low magnitude wind conditions the Coriolis force becomes more important. Secondary role in plume spreading plays the tide, due to the low tidal range of the area. The plume follows the wind direction through Ekman transport, having 3-6 hours delay. The wind velocity is important as well because in high discharge conditions it pushes the plume at long distance away from the mouth. At the same time, increased wind speed accelerates the plume mixing with underlying seawater. The climatic conditions and the Coriolis force favor the western plume expansion. The model showed that the western spread of the plume occurred under north-southeastern winds (0-170o), which have 65% frequency in the examined years. Thassos Passage plays an important role in the western plume expansion as well due its morphology. The surface water in this narrow straight gains additional speed and under flood conditions the plume can enter Kavala Gulf. In such circumstances the volume entering the gulf can reach up to 33% of the monthly river discharge. According to field measurements and the model results, the plume is able to enter Kavala Gulf even under intermediate discharge (~ 45 m3/s), but apart from the river flow the cooperation of wind action is required, the magnitude of which should not exceed 3 m/s.

Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη του πλουμίου του Ποταμού Νέστου, σε ότι αφορά τα ποιοτικά και ποσοτικά χαρακτηριστικά και η διασαφήνιση της επίδρασης του στην παράκτια ζώνη των εκβολών και στο Κόλπο Καβάλας. Επίσης, πρωταρχικός στόχος της διατριβής αποτελεί η μελέτη της εξέλιξης του πλουμίου στον χρόνο και η εξακρίβωση του βαθμού επίδρασης παραγόντων όπως η παροχή, η παλίρροια, η ένταση και η διεύθυνση του ανέμου στην συμπεριφορά του. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε το υδροδυναμικό μαθηματικό ομοίωμα ELCOM. Σε ότι αφορά το σύστημα του Νέστου, τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η κατασκευή των φραγμάτων προκάλεσε τον διαχωρισμό της κοίτης του ποταμού και την δημιουργία τριών τμημάτων με διαφορετικά υδρολογικά και φυσικοχημικά χαρακτηριστικά: τα ανάντι ποτάμιο τμήμα, το λιμναίο σύστημα των ταμιευτήρων και το κατάντι ποτάμιο τμήμα. Η ροή στο ανάντι τμήμα πραγματοποιείται φυσικά, ενώ στο κατάντι ποτάμιο τμήμα εξαρτάται από τη λειτουργία των φραγμάτων. Η παρεμβολή των ταμιευτήρων προκάλεσε τη διαφοροποίηση των φυσικών και χημικών χαρακτηριστικών στα ύδατα του κατάντι τμήματος. Το ποσοστό κατακράτησης των αιωρούμενων στερεών στο σύστημα των ταμιευτήρων ανήλθε έως και 99%, γεγονός που επηρεάζει και την κατανομή των συγκεντρώσεων των βαρέων μετάλλων στα ιζήματα. Για το διαλυμένο ανόργανο άζωτο (DIN) και διαλυμένο ανόργανο φώσφορο (DIP) το ποσοστό κατακράτησης υπολογίστηκε σε 63,7% και σε 61,9%, αντίστοιχα. Τα πυριτικά άλατα (DSi) παρουσίασαν διαφορετική συμπεριφορά διότι οι συγκεντρώσεις παρουσιάστηκαν αυξημένες στο κατάντι τμήμα. Το πλούμιο του Νέστου κατέλαβε επιφανειακή έκταση η οποία κυμάνθηκε μεταξύ 21,1 km2 (Αύγουστος 2007) και 570,2 km2 (Μάρτιος 2006) ανάλογα με την παροχή. Ομοίως ο όγκος του πλουμίου υπολογίστηκε μεταξύ 0,1 × 106 m3 (Αύγουστος 2006) και 172 × 106 m3 (Μάρτιος 2006). Το αντίστοιχο πλούμιο που σχηματίζεται από τα φορτία των θρεπτικών στοιχείων παρουσίασε παρόμοιο σχήμα με αυτό της αλατότητας, όμως κατέλαβε μικρότερη έκταση σε όλες τις περιπτώσεις. Η απομάκρυνση των θρεπτικών αλάτων από το πλούμιο συντελέστηκε μέσω της μείξης των υδάτων και μέσω της πρόσληψης τους από τους φωτοσυνθετικούς οργανισμούς. Η εξέταση της στοιχειομετρίας των θρεπτικών στοιχείων στο πλούμιο αποκάλυψε ότι το ίχνος των ποτάμιων υδάτων διατηρείται σχεδόν αναλλοίωτο μέσα στο πλούμιο, ακόμα και εντός του Κόλπου Καβάλας, κάτω από πλημμυρικές συνθήκες. Σε ενδιάμεσες παροχές η στοιχειομετρία είναι δυνατόν να μεταβληθεί ακόμα και εντός του πλουμίου. Ωστόσο στις περισσότερες περιπτώσεις η περιοχή του στομίου έχει τα ίδια χαρακτηριστικά με τα ύδατα του Νέστου. Σε χαμηλές παροχές η στοιχειομετρία μεταβάλλεται ακόμα και στην περιοχή του στομίου. Το πλούμιο του Νέστου είναι πάντα υπόπυκνο διότι τα ποτάμια ύδατα χάνουν την επαφή τους με τον πυθμένα αμέσως μετά την έξοδο τους από το στόμιο, ανεξάρτητα από την παροχή. Σε όλες σχεδόν τις εξεταζόμενες περιπτώσεις εντός του 2006 το πλούμιο χαρακτηρίστηκε ως μεγάλης κλίμακας και η επίδραση της Coriolis είναι σημαντική. Αντίθετα, το 2007 το πλούμιο είναι μικρής κλίμακας και υπερισχύουν οι δυνάμεις αδράνειας. Σύμφωνα με τις τιμές που πήρε ο αριθμός Froude το πλούμιο του Νέστου χαρακτηρίζεται ως υποκρίσιμο. Τα αποτελέσματα του ομοιώματος ELCOM έδειξαν ότι η συμπεριφορά του πλουμίου επηρεάζεται περισσότερο από την παροχή και από την διεύθυνση του ανέμου. Κάτω από συνθήκες χαμηλής ανεμογενούς δραστηριότητας η Coriolis καθίσταται περισσότερο σημαντική. Δευτερεύων ρόλο στην εξάπλωση του πλουμίου παίζει η παλίρροια εξαιτίας του χαμηλού παλιρροιακού εύρους της περιοχής. Το πλούμιο ακολουθεί την διεύθυνση του ανέμου μέσω της μεταφοράς Ekman, έχοντας καθυστέρηση 3-6 ώρες. Η ένταση του ανέμου είναι σημαντική διότι σε συνθήκες υψηλών παροχών ωθεί το πλούμιο σε μακρινές αποστάσεις από το στόμιο. Ταυτόχρονα, η ανάμιξη του πλουμίου με το θαλασσινό νερό επιταχύνεται καθώς αυξάνεται η ταχύτητα του ανέμου. Οι μετεωρολογικές συνθήκες και η δύναμη Coriolis ευνοούν την δυτική εξάπλωση του πλουμίου. Τα αποτελέσματα του ομοιώματος έδειξαν ότι η δυτική εξάπλωση πραγματοποιείται κάτω από βόρειους – νοτιοανατολικούς ανέμους (0 – 170ο), οι οποίοι έχουν συχνότητα εμφάνισης 65% στα εξεταζόμενα έτη. Το Στενό της Θάσου διαδραματίζει ιδιαίτερο ρόλο στη δυτική εξάπλωση, εξαιτίας της μορφολογίας του. Τα επιφανειακά ύδατα μέσα στο στενό αποκτούν επιπλέον ταχύτητα και σε περιπτώσεις πλημμυρικών παροχών το πλούμιο εκτοξεύεται εντός του Κόλπου Καβάλας. Σε τέτοιες συνθήκες ο όγκος του πλουμίου που εισέρχεται στον Κόλπο Καβάλας μπορεί να φτάσει μέχρι και 33% της μηνιαίας ποτάμιας απορροής. Σύμφωνα με τις μετρήσεις του πεδίου και του ομοιώματος, το πλούμιο είναι ικανό να εισέλθει εντός του Κόλπου Καβάλας κάτω από καθεστώτα ενδιάμεσων ποτάμιων παροχών (~ 45 m3/s), όμως εκτός από την παροχή απαιτείται η συνεργασία του ανέμου, του οποίου η ταχύτητα δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 3 m/s.