Εξελιγμένο μαθηματικό ομοίωμα διερεύνησης των επιπτώσεων των εξαλων και υφάλων κυματοθραυστών στην μορφολογία των ακτών

Abstract

An advanced two-dimensional hydro-morphodynamics mathematical model has been developed and calibrated. The model is used to simulate the processes of nonlinear wave propagation, the wave-induced currents generation, the sediment transport due to waves and currents and the coastal morphological changes. It can be used to design the coastal protection structures. In this work, the coastal processes which are responsible for the coastal erosion are studied, as well as the wave/currents and coastal structures interaction. The study focus on the detached breakwaters, both emerged and submerged, which are widely used to protect the coasts from erosion. The presence of such constructions has the effect of reducing the wave energy reaching the protected area. The reduced wave action, combined with the change - due to the presence of the breakwaters - of the current field which is caused by the waves breaking near the coast, contributes to the deposition of sediments (accretion) on the coast (in the area between the breakwater and the shoreline) and the retreat of the shoreline into the gap between the detached breakwaters (erosion).Literature review was made concerning wave and sediment transport. Boussinesq equations, including higher-order nonlinear terms, were used in this work, which can describe the propagation of nonlinear waves in the shoaling, breaking and swash zone. The bed load and the sheet flow transport were calculated for combined wave and current flow. The suspended load is estimated by solving the depth-averaged transport equation. This mathematical model was tested against experimental data concerning the bathymetric changes occurring behind an emerged detached breakwater. The beach was five (5,00) meters long and consisted of uniformly distributed sand with an average grain diameter d50= 0.25mm. The duration of the experiment was approximately 15 hours, approximately the same amount of time it took for the coast to reach dynamic equilibrium (i.e. no changes are made to the bottom).When the emerged detached breakwater is built relatively far from the shoreline then a salient appears on the shoreline (behind of the breakwater). When the detached breakwater is built relatively close to the shoreline, sand accumulates in the area between the shoreline and the detached breakwater, creating a tombolo-like formation that joins the shoreline to the breakwater. The convergence achieved between the simulation results and the experimental data is considered satisfactory. Given the satisfactory behavior of the model in estimating the bathymetry evolution behind the emerged detached breakwaters, it was also applied to submerged detached breakwaters with the same wave conditions and with the same coast morphology. It is worth noting that for submerged detached breakwaters there is limited and mainly empirical knowledge on their correct design. This application of the model led to interesting design conclusions about the way the submerged detached breakwaters should be constructed. More specifically, several applications of the model were carried out with different transmission coefficients (Kt), while varying the depth and width of the detached breakwater’s crest as well as its distance from the coast. A large number of results were obtained covering the entire range of transmission coefficient values. Three (3) characteristic values of the transmission coefficient (0.2, 0.4, 0.6) were selected. For large values of the B / X ratio (B / X> 1.25-2.0), no tombolo formation is created, even for small values of Kt. For transmission values of 0.40 (low cost breakwater) the structure is capable of protecting the coast. When the structure is too close to the shore and the transmission coefficient is large (above 0.40) it fails to protect the shore by creating erosion on the leeward side of the structure. After the verification of the model with the laboratory data, the model was applied in the field, on a beach where three submerged detached breakwaters have been built for its protection. The coastal area is located on the sandy coast of Paralia Katerinis, north of the port. The area has been facing erosion phenomena for more than 30 years, after the construction of the port. The shoreline retreat was approximately twenty (20) meters. The effects of erosion extend to a zone of eight hundred (800) meters north of the port. The model simulated all hydro-morphodynamic processes after the construction of the submerged detached breakwaters and artificial enrichment. The model results agree quite well with the field measurements of the coastal morphology, three years after the submerged detached breakwaters were built.

Στην εργασία έχει αναπτυχθεί και βαθμονομηθεί ένα ολοκληρωμένο προηγμένο υδρο-μορφοδυναμικό μαθηματικό ομοίωμα δύο οριζοντίων διαστάσεων για την προσομοίωση των διεργασιών της μετάδοσης των μη γραμμικών διασπειρόμενων κυματισμών, τη δημιουργία κυματογενών ρευμάτων, τη μεταφορά φερτών και των μορφολογικών μεταβολών που πραγματοποιούνται στην ακτή. Το μαθηματικό ομοίωμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον σχεδιασμό κατασκευών που θα προστατεύσουν μια παράκτια περιοχή από την διάβρωση. Στην εργασία μελετήθηκαν οι διεργασίες που συντελούνται στην παράκτια περιοχή και ευθύνονται για την διάβρωση των ακτών, καθώς επίσης και η αλληλεπίδραση κυματισμών/παράκτιων ρευμάτων με τεχνικά έργα προστασίας των ακτών. Η έρευνα επικεντρώνεται στους αποσπασμένους κυματοθραύστες, ύφαλους ή έξαλους, που χρησιμοποιούνται ευρέως για την προστασία των ακτών από τη διάβρωση. Η παρουσία τέτοιων κατασκευών έχει ως αποτέλεσμα την μείωση της κυματικής ενέργειας που προσπίπτει στην προστατευόμενη περιοχή. Η μειωμένη δράση των κυμάτων, σε συνδυασμό με την μεταβολή, λόγω της παρουσίας των κυματοθραυστών, του κυματογενούς ρεύματος που προκαλείται από τα κύματα που θραύονται κοντά στην ακτή, συμβάλλει στην εναπόθεση ιζημάτων (πρόσχωση) στην ακτή (μεταξύ της “σκιάς” των κυματοθραυστών και της ακτογραμμής) και την υποχώρηση της ακτογραμμής στο κενό μεταξύ των κυματοθραυστών (διάβρωση). Έγινε συνοπτική ανασκόπηση τόσο για μοντέλα κυματισμών όσο και για μοντέλα στερεομεταφοράς που υπάρχουν στην διεθνή βιβλιογραφία. Στην εργασία αυτή έγινε χρήση εξισώσεων τύπου Boussinesq, συμπεριλαμβανομένων μη γραμμικών όρων υψηλότερης τάξης, οι οποίες μπορούν να περιγράψουν την μετάδοση μη γραμμικών κυμάτων στη ζώνη ρήχωσης, θραύσης και αναρρίχησης. Το φορτίο πυθμένα και το φορτίο εξαιτίας της ροής στρώματος υπολογίστηκε για συνδυασμένη ροή κυματισμού και ρεύματος. Το φορτίο σε αιώρηση εκτιμάται επιλύοντας τη μέση ως προς το βάθος εξίσωση μεταφοράς των φερτών .Το μαθηματικό ομοίωμα εξετάστηκε καταρχάς σε σχέση με πειραματικά δεδομένα τα οποία αφορούσαν τις βυθομετρικές αλλαγές που συντελούνταν πίσω από έναν έξαλο κυματοθραύστη. Η ακτή είχε μήκος πέντε (5) μέτρων και αποτελούνταν από ομοιόμορφα κατανεμημένη άμμο με μέση διάμετρο κόκκου d50 = 0,25mm. Όταν ο έξαλος κυματοθραύστης κατασκευάζεται σχετικά μακριά από την ακτογραμμή τότε εμφανίζεται στην ακτογραμμή (στην σκιά του κυματοθραύστη) προεξοχή. Όταν ο κυματοθραύστης κατασκευαστεί σχετικά κοντά στην ακτογραμμή τότε συγκεντρώνεται άμμος στην περιοχή ανάμεσα στην ακτογραμμή και στον κυματοθραύστη, δημιουργώντας ένα σχηματισμό τύπου tombolo, που ενώνει την ακτογραμμή με τον κυματοθραύστη. Η σύγκλιση που επετεύχθη ανάμεσα στα αποτελέσματα του ομοιώματος και στα πειραματικά δεδομένα αποδεικνύει την αξιοπιστία του προτεινόμενου ομοιώματος. Με δεδομένο την ικανοποιητική συμπεριφορά του μοντέλου στην εκτίμηση της εξέλιξης της βαθυμετρίας πίσω από έξαλους κυματοθραύστες, έγινε εφαρμογή του και σε ύφαλους κυματοθραύστες με τις ίδιες κυματικές συνθήκες και με την ίδια μορφολογία ακτής. Αυτό οδήγησε σε ορθά και ενδιαφέροντα συμπεράσματα σχεδιασμού της χωροδιάταξης των ύφαλων κατασκευών. Αξίζει να σημειωθεί ότι για τους ύφαλους κυματοθραύστες υπάρχει περιορισμένη και κυρίως εμπειρική γνώση στον ορθό σχεδιασμό τους. Πιο συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκαν πολλές εφαρμογές του μοντέλου με διαφορετικούς συντελεστές διάδοσης (Kt), μεταβάλλοντας παράλληλα το βάθος και το πλάτος της στέψης του κυματοθραύστη καθώς και την απόσταση του από την ακτή. Προέκυψε ένας μεγάλος αριθμός αποτελεσμάτων καλύπτοντας όλο το φάσμα τιμών του συντελεστή μετάδοσης. Επιλέχτηκαν τρείς (3) χαρακτηριστικές τιμές του συντελεστή μετάδοσης (0.2, 0.4, 0.6) καθώς και διαφορετικές τιμές του λόγου Β/Χ (μήκος κυματοθραύστη Β προς την απόσταση από την ακτή Χ). Για μεγάλες τιμές του λόγου B / X (B / X> 1.25-2.0), δεν δημιουργείται σχηματισμός τύπου tombolo (όπως στην περίπτωση των εξάλων κυματοθραυστών) όπως επίσης και για μικρές τιμές του Kt. Για τιμές διάδοσης 0.40 η κατασκευή είναι ικανή να προστατεύσει την ακτή. Όταν η κατασκευή είναι πολύ κοντά στην ακτή και ο συντελεστής μετάδοσης είναι μεγάλος (πάνω από 0.40) αποτυγχάνει να προστατεύσει την ακτή δημιουργώντας διάβρωση στην υπήνεμη πλευρά της κατασκευής.Μετά την πιστοποίηση του μοντέλου με τα εργαστηριακά δεδομένα, το μοντέλο εφαρμόστηκε στο πεδίο, σε παραλία που για την προστασία της έχουν κατασκευαστεί ύφαλοι κυματοθραύστες. Το πεδίο εφαρμογής ήταν η αμμώδης ακτή της Παραλίας Κατερίνης, βόρεια του λιμένα. Η περιοχή αντιμετώπιζε φαινόμενα διάβρωσης για περισσότερα από τριάντα (30) χρόνια, μετά την κατασκευή του λιμανιού. Η οπισθοχώρηση της ακτής ήταν περίπου είκοσι (20) μέτρα. Τα φαινόμενα της διάβρωσης εκτείνονται σε μία ζώνη μήκους οχτακοσίων (800) μέτρων βόρεια του λιμανιού. Το μοντέλο προσομοίωσε όλες τις υδρο-μορφοδυναμικές διεργασίες μετά την κατασκευή των κυματοθραυστών και τον τεχνητό εμπλουτισμό. Τα αποτελέσματα του μοντέλου σε σύγκριση με τις μετρήσεις πεδίου της μορφολογίας της ακτής που πραγματοποιήθηκαν μετά από τρία έτη από την κατασκευή των κυματοθραυστών δείχνουν ότι υπάρχει ικανοποιητική συμφωνία.