Υπολογιστική διερεύνηση ροϊκού πεδίου τεχνητών υφάλων με παράλληλη διερεύνηση της θαλάσσιας θερμοκρασίας στην παράκτια ζώνη από in-situ και δορυφορικές μετρήσεις

Abstract

The coastal zone provides a vital component of human activities supporting numerous interactions with the environment like food from fish stock, trade routes and cultural exchanges and the recent exploitation for recreational purposes. The intense natural phenomena characterizing the coastal zone are amplified by human activities in the recent decades. One of these human activities adding pressure to the coastal zone is the recent development of recreational diving and diving tourism. To counteract this problem and as a sustainable development proposal, the HCMR-Artificial-ReefsTM technology has been developed. These artificial reefs (AR) aim at providing habitats that mimic aesthetically the local natural habitats (the natural Mediterranean rocky reef, in this case) and aggregate marine organisms that are attractive to recreational divers. Thus, relieving areas of natural interest or/and Marine Protected Areas (MPAs) by implementing diving areas/parks in their nearby regions. Since the deployment of 12 such AR units in the Underwater Biotechnological Park of Crete (UBPC) in 2015, their continuous monitoring and evaluation has taken place. Part of that procedure is the presented investigation to assess if Computational Fluid Dynamics (CFD) can be used as an efficient tool in designing and evaluating AR. One of the main characteristics determining the functionality, consequently the success, of deploying AR is the flow fields around them and their interaction with sea currents. The deliberate diversion of the incoming flow towards an AR, results in the desired characteristics of the upwelling flow in the upstream area and the wake region in the downstream area. Thus, the resuspension of sediments and nutrients is provoked, triggering the thriving of sessile and moving benthic organisms on the AR. These fouling organisms are going to attract, in turn, bigger organisms (fish, etc.), which will take advantage of the wake region downstream of an AR (area with flow velocities < 0.35 m/s) to aggregate, rest/shelter from sea currents and bigger predators or find spawning and feeding grounds. In the present study, the 3-d scanned computational meshes of the AR are subject to numerical simulations and their flow field characteristics are presented. Despite the fact that their dimensioning is not scaled-down and the specific AR units have complex morphology, the CFD results are similar with the ones of former studies with scaled-down geometrically regular AR units of simpler shapes (e.g. cubes).Sea Surface Temperature (SST), including that of the coastal zone, is a vital component of the climatic system. SST largely controls the atmospheric response to the ocean at both weather and climate time scales and it exerts a major influence on the exchanges of energy, momentum, and gases between the ocean and the atmosphere. Under this scope, the presented Thesis, made a comparison between satellite derived SST measurements (from the NASA Aqua and Terra satellites) and in situ measurements from the deployed instruments of the UBPC, to assess the applicability of such an in situ time series in validating satellite measurements. In order to achieve this, infrastructures like the UBPC, should be continuously and long-term implemented, with priority given to the estimation of the uncertainty budget of the in situ temperature loggers and the traceability of all the calibration procedures of the instrumentation being used. The presented combined investigation of Computational Fluid Dynamics and temperature monitoring demonstrates the proposed methodology for one coastal application and its potential for others. More specifically, sea temperature and underwater currents are characterized as crucial physical parameters that can determine the functional characteristics of artificial reefs. Therefore, the monitoring of these physical parameters must be applied both during the operation of respective submerged structures (for their evaluation), and previous monitoring data must be taken into account in the design of such structures. Comparing satellite data with respective in-situ, in the present Thesis and for the specific study area, based on comparative statistics of their spatial and temporal match-ups, suggests that satellite time series prior to the installation of in-situ sensors can now be used to acquire a wider temporal dataset of local physical characteristics. Moreover, satellite time series could be used to estimate desired physical parameters in similar coastal installation areas where there are no in situ time series. Consequently, it is this monitoring/assessment of local natural parameters that will enable the sustainable design of coastal infrastructure projects, taking into account local geomorphological and natural/environmental peculiarities and changes, in order to mutually contribute to the Integrated Coastal Zone Management of an area.

Η παράκτια ζώνη προσφέρει ζωτικής σημασίας πεδίο ανθρώπινων δραστηριοτήτων εξυπηρετώντας πλήθος διαδραστικών με το περιβάλλον πρακτικών, όπως, την εξασφάλιση τροφής μέσω αλιευμάτων, την παροχή διόδων εμπορικών και πολιτισμικών συναλλαγών μέχρι και την πρόσφατη εκμετάλλευση της για λόγους αναψυχής. Στα ούτως ή άλλως έντονα φυσικά φαινόμενα που χαρακτηρίζουν την παράκτια ζώνη, καθώς αποτελεί τον χώρο του θαλάσσιου περιβάλλοντος που έρχεται σε άμεση επαφή με την χέρσο, προστίθενται έντονα τις τελευταίες δεκαετίες και οι ανθρωπογενείς δραστηριότητες. Μία από αυτές τις ανθρωπογενείς δραστηριότητες που επιβαρύνουν την παράκτια ζώνη, αποτελεί και η πρόσφατη ανάπτυξη της κατάδυσης αναψυχής και του καταδυτικού τουρισμού. Ως μέτρο αντιμετώπισης του παραπάνω προβλήματος αλλά και σαν πρόταση αειφόρου ανάπτυξης της παράκτιας ζώνης, αναπτύχθηκε η Τεχνολογία Τεχνητών-Υφάλων-ΕΛΚΕΘΕTM. Αυτοί οι τεχνητοί ύφαλοι (ΤΥ) προσβλέπουν στην κατασκευή ενδιαιτημάτων που μιμούνται αισθητικά τα τοπικά φυσικά ενδιαιτήματα (εν προκειμένω, τον φυσικό πετρώδη Μεσογειακό βράχο/ύφαλο) και λειτουργούν ως πόλος έλξης θαλάσσιων οργανισμών, με στόχο την προσέλκυση δυτών αναψυχής. Αποσυμφορώντας, κατ’ αυτό τον τρόπο, περιοχές φυσικού ενδιαφέροντος ή/και θαλάσσιες προστατευμένες περιοχές (Marine Protected Areas-MPAs) με την δημιουργία καταδυτικών περιοχών/πάρκων σε κοντινές τους περιοχές. Την πόντιση 12 τέτοιων μονάδων ΤΥ στο Υποθαλάσσιο Βιοτεχνολογικό Πάρκο Κρήτης (ΥΒΠΚ) το 2015, ακολούθησε η παρακολούθηση και αξιολόγηση τους. Μέρος αυτής της διαδικασίας αποτελεί και η παρούσα διερεύνηση προς εξακρίβωση εάν η Υπολογιστική Ρευστοδυναμική αποτελεί κατάλληλο εργαλείο σχεδιασμού και αξιολόγησης ΤΥ. Ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά που υπαγορεύουν την λειτουργικότητα, συνεπώς και την επιτυχία, της εγκατάστασης ΤΥ θεωρείται το ροϊκό τους πεδίο και η αλληλεπίδραση τους με τα θαλάσσια ρεύματα. Η εκτροπή της προσπίπτουσας σε έναν ΤΥ ροής, είναι αυτό που του προσδίδει τα επιθυμητά χαρακτηριστικά της ανοδικής (upwelling) ανάντη ροής και την δημιουργία της κατάντη ζώνης σκίασης (wake region). Έτσι εξασφαλίζεται η επαναιώρηση του ιζήματος και των θρεπτικών συστατικών του πυθμένα, για να ευδοκιμήσει η ύπαρξη στατικών επικαθήμενων και κινητικών βενθικών οργανισμών στους υφάλους. Αυτοί οι οργανισμοί θα προσελκύσουν μεγαλύτερους οργανισμούς (ψάρια κ.α.), οι οποίοι εκμεταλλευόμενοι την wake region κατάντη ενός TY (ζώνη με τιμές ταχύτητας ροής < 0.35 m/s) θα συναθροιστούν, για να ξεκουραστούν/προφυλαχθούν από τα θαλάσσια ρεύματα και τους μεγαλύτερους θηρευτές ή για να βρουν καταφύγια για εποίκηση και αναπαραγωγή. Στην παρούσα μελέτη, τα τρισδιάστατα σαρωμένα πλέγματα των ΤΥ υπόκεινται σε υπολογιστικές προσομοιώσεις και αποτυπώνονται όλα τα επιθυμητά ροϊκά τους χαρακτηριστικά. Παρόλο που η διαστασιολόγηση των προσομοιώσεων δεν είναι υπό κλίμακα και οι συγκεκριμένοι ΤΥ είναι πολύπλοκες κατασκευές μορφολογικά, τα αποτελέσματα είναι αντίστοιχα με αυτά προηγούμενων υπό κλίμακα μελετών που περιλαμβάνουν ΤΥ απλούστερης γεωμετρίας (π.χ. κύβους). Η Θαλάσσια Επιφανειακή Θερμοκρασία (Sea Surface Temperature - SST), συμπεριλαμβανομένης και αυτής της παράκτιας ζώνης, θεωρείται ζωτικής σημασίας παράμετρος του κλιματικού συστήματος. Η SST ελέγχει σε μεγάλο βαθμό την ατμοσφαιρική απόκριση στον ωκεανό τόσο σε μετεωρολογικές όσο και σε κλιματικές χρονικές κλίμακες και ασκεί σημαντική επιρροή στις ανταλλαγές ενέργειας, ορμής και αερίων μεταξύ του ωκεανού και της ατμόσφαιρας. Υπ’ αυτό το πρίσμα, στην παρούσα Διατριβή, έγινε μία σύγκριση μετρήσεων SST από τους δορυφόρους Aqua και Terra της NASA, με μετρήσεις από in situ όργανα που έχουν εγκατασταθεί στο ΥΒΠΚ, για να διερευνηθεί η καταλληλότητα μιας τέτοιας in situ χρονοσειράς προς έλεγχο (validation) δορυφορικών μετρήσεων. Για να επιτευχθεί ασφαλώς κάτι τέτοιο, υποδομές όπως αυτές του ΥΒΠΚ, με την βελτίωση τόσο της ακρίβειας όσο και του υπολογισμού της αβεβαιότητας των μετρήσεων τους, πρέπει να δημιουργηθούν και να διασφαλιστεί η απρόσκοπτη και συνεχής λειτουργία τους. Επιπλέον, μελετάται η επίδραση της χέρσου στην ποιότητα και την ακρίβεια των δορυφορικών τιμών SST μέσω της σύγκρισης δυο γειτονικών κελιών μέτρησης των δορυφόρων. Με την παρούσα παράλληλη διερεύνηση της Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής και της θερμοκρασιακής παρακολούθησης καταδεικνύεται η προτεινόμενη μεθοδολογία για αντίστοιχες παράκτιες, και όχι μόνο, εφαρμογές. Πιο συγκεκριμένα, η θερμοκρασία και τα υποθαλάσσια ρεύματα χαρακτηρίζονται ως βασικές φυσικές παράμετροι που μπορεί να καθορίσουν τα λειτουργικά χαρακτηριστικά τεχνητών υφάλων. Συνεπώς, η παρακολούθηση αυτών των φυσικών παραμέτρων πρέπει να εφαρμόζεται τόσο κατά την λειτουργία αντίστοιχων ποντισμένων κατασκευών (προς αξιολόγηση τους), όσο και προηγούμενα δεδομένα παρακολουθήσεων πρέπει να λαμβάνονται υπ’ όψη στο σχεδιασμό των κατασκευών. Συγκρίνοντας δορυφορικά δεδομένα με αντίστοιχα in-situ, στην παρούσα Διατριβή και για την συγκεκριμένη περιοχή μελέτης, βάσει της ταύτισης των συγκριτικών τους στατιστικών θα μπορούν πλέον να χρησιμοποιούνται δορυφορικές χρονοσειρές προγενέστερες της εγκατάστασης των in-situ αισθητήρων με στόχο μία πιο διευρυμένη αποτύπωση των τοπικών φυσικών χαρακτηριστικών. Ή ακόμα να γίνει χρήση δορυφορικών χρονοσειρών για την εκτίμηση επιθυμητών φυσικών παραμέτρων και σε άλλες υποψήφιες παρόμοιες παράκτιες περιοχές εγκατάστασης αντίστοιχων κατασκευών όπου δεν υπάρχουν in-situ χρονοσειρές. Τελικά, αυτή η παρακολούθηση/εκτίμηση των τοπικών φυσικών παραμέτρων είναι που θα επιτρέψει στην αειφόρο σχεδίαση παράκτιων έργων υποδομής, συνυπολογίζοντας τις κατά τόπους γεωμορφολογικές και φυσικές/περιβαλλοντικές ιδιαιτερότητες και μεταβολές, ώστε να συντείνουν αμοιβαία στην Ολιστική Διαχείριση της Παράκτιας Ζώνης μίας περιοχής.