Μορφοδυναμική ακτής με ύφαλους κυματοθραύστες - Κλωνάρης, Γεώργιος (Σχολή Πολιτικών Μηχανικών, 2016)
Η παράκτια ζώνη αποτελεί ελκυστικό περιβάλλον για τον άνθρωπο από τα αρχαία χρόνια. Σήμερα, πάνω από το 40% του παγκόσμιου πληθυσμού κατοικεί σε παράκτιες περιοχές, όπου συγκεντρώνεται και η πλειοψηφία των μεγαλουπόλεων. Η υπερσυγκέντρωση πληθυσμών στις ευαίσθητες αυτές ζώνες συνεπάγεται υπερβολικές πιέσεις τόσο στη στεριά, όσο και στη θάλασσα. Οι πιέσεις αυτές μεταφράζονται, κατ’ ουσίαν, στην ανάγκη για διατήρηση μιας σταθερής ακτογραμμής. Αυτή η απαίτηση βρίσκεται πολλές φορές σε σύγκρουση με τις φυσικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στις παράκτιες περιοχές και μεταβάλλουν διαρκώς την ακτογραμμή. Το αποτέλεσμα αυτής της διαμάχης πολύ συχνά είναι η εκτεταμένη διάβρωση των ακτών. Μέχρι πρόσφατα, τα παράκτια έργα βασίζονταν στη λογική της λεγόμενης «σκληρής» προστασίας, η οποία περιλαμβάνει την κατασκευή ογκωδών έργων από σκυρόδεμα ή φυσικούς ογκόλιθους, παρόμοια με τους κυματοθραύστες των λιμένων. Επιπλέον, η επίδραση της κατασκευής τέτοιων έργων στην περιβαλλοντική ποιότητα των ακτών αντιμετωπιζόταν ημι-εμπειρικά και αποσπασματικά. Πλέον, έχει γίνει ευρέως κατανοητό ότι η ευαίσθητη παράκτια ζώνη απαιτεί ένα ολοκληρωμένο σχέδιο διαχείρισης και όχι αποσπασματικές λύσεις. Στο πλαίσιο αυτό, έχουν προταθεί ηπιότερες προσεγγίσεις για την προστασία των ακτών. Κατά τη διάρκεια των τελευταίων ετών, οι ύφαλοι κυματοθραύστες έχουν κινήσει το επιστημονικό ενδιαφέρον ως μία εναλλακτική λύση έναντι των συμβατικών για την παράκτια προστασία. Αποτελούν ηπιότερη μέθοδο προστασίας και συνεπώς είναι γενικά λιγότερο αποτελεσματικά, από άποψη παράκτιας μηχανικής, σε σχέση με τις έξαλες κατασκευές. Ωστόσο, σε περιοχές ήπιου υδροδυναμικού καθεστώτος και μικρού εύρους παλίρροιας τα ύφαλα έργα μπορεί να είναι πιο ελκυστικά από τα συμβατικά, καθότι είναι περισσότερο φιλικά προς το περιβάλλον, υπερτερούν αισθητικά και είναι συνήθως χαμηλότερου κόστους. Ο κύριος στόχος της παρούσας Διατριβής ήταν διπλός. Καταρχάς, να συνεισφέρει στην κατανόηση των σύνθετων υδροδυναμικών και μορφολογικών διεργασιών που λαμβάνουν χώρα σε παράκτια ζώνη με σύστημα ύφαλων κυματοθραυστών. Κατά δεύτερον, να αναπτυχθεί ένα σύνθετο αριθμητικό μοντέλο που προσομοιώνει τη διάδοση των κυματισμών, τα κυματογενή ρεύματα, την παράκτια στερεομεταφορά, τη διάβρωση και απόθεση στον πυθμένα και τελικά περιγράφει την εξέλιξη του κάθετου στην ακτή προφίλ και της ακτογραμμής στα κατάντη ενός συστήματος διαπερατών ύφαλων κυματοθραυστών. Η Διατριβή περιλάμβανε επίσης την εκτέλεση εργαστηριακών πειραμάτων με στόχο την επαλήθευση του μοντέλου. Συγκεκριμένα, αναπτύχθηκε ένα σύνθετο αριθμητικό μοντέλο που συνδυάζει τέσσερα υπο-μοντέλα σε μία ενιαία μορφή. Το σύνθετο αυτό εργαλείο περιλαμβάνει: κυματικό μοντέλο, υδροδυναμικό μοντέλο για την προσομοίωση των κυματογενών ρευμάτων, μοντέλο παράκτιας στερεομεταφοράς και μοντέλο γεωμορφολογίας. Τα υπο-μοντέλα αυτά εφαρμόζονται διαδοχικά, το ένα μετά το άλλο, σε μία αυτοματοποιημένη και ενοποιημένη διαδικασία, με τελικό αποτέλεσμα την προσομοίωση βραχυπρόθεσμων μεταβολών της μορφολογίας του πυθμένα. Μάλιστα, το σύνθετο μοντέλο επεκτάθηκε σε πορώδεις πυθμένες, ώστε να εφαρμόζεται και σε διαπερατούς ύφαλους κυματοθραύστες. Το πρώτο βήμα αφορούσε στην επιλογή του κατάλληλου κυματικού μοντέλου που αποτελεί τη βάση της εργασίας. Η μεγάλη πλειοψηφία των μοντέλων στερεομεταφοράς και μορφολογίας που έχουν παρουσιαστεί λαμβάνουν ως δεδομένα εισόδου τα αποτελέσματα ολοκληρωμένων στην περίοδο κυματικών μοντέλων (phase-averaged models). Αντιθέτως, στην παρούσα διατριβή επιλέχθηκε ως βάση του σύνθετου μοντέλου ένα μη ολοκληρωμένο στην περίοδο κυματικό μοντέλο (phase-resolving model) τύπου Boussinesq. Ο συνδυασμός ενός τέτοιου κυματικού μοντέλου με ένα μοντέλο στερεομεταφοράς αποτελεί αντικείμενο σύγχρονης έρευνας λόγω των πλεονεκτημάτων του. Συγκεκριμένα, εξήχθησαν βελτιωμένες εκδόσεις δύο υπαρχόντων μοντέλων τύπου Boussinesq και μέσω μίας μη γραμμικής μαθηματικής ανάλυσης και σύγκρισης επιλέχθηκε το κατάλληλο για την παρούσα έρευνα. Στη συνέχεια το κυματικό μοντέλο επεκτάθηκε στις ζώνες θραύσης και διαβροχής, ενώ ενσωματώθηκε και η περιγραφή της τριβής πυθμένα και των τυρβωδών διεργασιών ανάμιξης σε υποπλεγματική κλίμακα (subgrid turbulent mixing). Το σύνθετο μοντέλο προσφέρει επίσης τη δυνατότητα του απευθείας υπολογισμού του πεδίου των κυματογενών ρευμάτων, χωρίς την απαίτηση διαδοχικής εφαρμογής ενός κυματικού και ενός υδροδυναμικού μοντέλου βάσει της θεωρίας των τάσεων ακτινοβολίας. Στον υπολογισμό αυτό συμπεριλαμβάνεται και η επίδραση του ρεύματος επιστροφής (undertow). Επιπλέον, εφαρμόστηκε βελτίωση του αριθμητικού σχήματος επίλυσης σε σχέση με το ευρέως χρησιμοποιούμενο σε παρόμοια μοντέλα σχήμα πρόβλεψης-διόρθωσης Adams-Bashforth-Moulton. Διερευνήθηκε επίσης η αριθμητική ευστάθεια του επιλεγμένου σχήματος. Το κυματικό μοντέλο επαληθεύτηκε με σειρά πειραματικών μετρήσεων σε μία και δύο οριζόντιες διαστάσεις. Μερικά από τα τεστ αυτά ήταν ιδιαίτερα απαιτητικά, καθώς συνδύαζαν έναν αριθμό φυσικών διεργασιών, όπως ρήχωση, διάθλαση, περίθλαση, θραύση, αναρρίχηση, υπερπήδηση εμποδίου και μη γραμμικές κυματικές αλληλεπιδράσεις. Τα αποτελέσματα του κυματικού και υδροδυναμικού μοντέλου εισάγονται στη συνέχεια στο μοντέλο παράκτιας στερεομεταφοράς. Στα ανοιχτά και στη ζώνη θραύσης, η κίνηση του ιζήματος, συνήθως, χωρίζεται στο φορτίο πυθμένα και στο φορτίο σε αιώρηση. Για τον υπολογισμό του πρώτου εφαρμόστηκαν ημι-εμπειρικές σχέσεις, από τις πλέον σύγχρονες, που ισχύουν για το συνδυασμό κυμάτων και ρευμάτων. Οι εξισώσεις αυτές είναι από τις πολύ λίγες της διεθνούς βιβλιογραφίες που λαμβάνουν υπόψη τα σημαντικά μη μόνιμα φαινόμενα υστέρησης στην απόκριση του ιζήματος στις μεταβολές του πεδίου ταχυτήτων του νερού. Για τον υπολογισμό του φορτίου σε αιώρηση το μοντέλο προσφέρει δύο εναλλακτικές. Η πρώτη βασίζεται στην επίλυση της ολοκληρωμένης στο βάθος εξίσωσης μετάθεσης-διάχυσης του ιζήματος, ενώ η δεύτερη στην υιοθέτηση της παραδοχής ενός εκθετικού προφίλ της συγκέντρωσης αυτού κατά βάθος. Στη ζώνη διαβροχής, ο υπολογισμός της στερεομεταφοράς επιτυγχάνεται βάσει μαθηματικών τύπων που έχουν εξαχθεί στηριζόμενοι, κατ’ αναλογία, στις αρχές της βαλλιστικής θεωρίας. Ο υπολογιζόμενος ρυθμός στερεομεταφοράς εισάγεται στο μοντέλο γεωμορφολογίας, το οποίο επιλύει την εξίσωση ισοζυγίου των φερτών και τελικώς περιγράφει την τριδιάστατη εξέλιξη της τοπογραφίας του πυθμένα. Η εφαρμογή της μεθόδου που βασίζεται στο ‘morphological acceleration factor’ επιτρέπει την προσομοίωση μορφολογικών μεταβολών για χρονικά διαστήματα που απαιτούνται σε πρακτικές εφαρμογές μηχανικών. Εν προκειμένω, προσομοιώθηκαν βραχυχρόνιες μορφολογικές μεταβολές, της τάξης κάποιων ωρών ή λίγων ημερών. Το σύνθετο μοντέλο επαληθεύτηκε με μία σειρά πειραμάτων της διεθνούς βιβλιογραφίας που περιλαμβάνουν αλλαγή της βαθυμετρίας σε μία ή δύο οριζόντιες διαστάσεις και έδειξε γενικά ικανοποιητική απόκριση. Επίσης, πραγματοποιήθηκε σύγκριση με άλλους τύπους για τον υπολογισμό της παράκτιας στερεομεταφοράς και οι τελικά επιλεγμένοι έδειξαν τη μεγαλύτερη ακρίβεια. Στα πλαίσια της Διατριβής πραγματοποιήθηκαν και εργαστηριακά πειράματα σε δεξαμενή κυμάτων του Παν/μίου Πατρών με οριζόντιες διαστάσεις 12 m x 7 m και μέγιστο βάθος νερού 1.05 m. Η διάταξη περιλάμβανε ένα διαπερατό ύφαλο κυματοθραύστη μήκους 3 m, τοποθετημένο σε κεκλιμένο πυθμένα από αλουμίνιο πλάτους 4 m. Στα κατάντη του ύφαλου κυματοθραύστη διαστρώθηκε λεπτόκοκκη άμμος ώστε να αναπαριστά αμμώδη παραλία. Εξετάστηκαν οκτώ σενάρια που περιλάμβαναν κάθετη πρόσπτωση απλών μονοχρωματικών και σύνθετων κυματισμών. Πριν την εκκίνηση κάθε σεναρίου η άμμος επαναφερόταν στην αρχική της θέση, ώστε όλα τα πειράματα να αναφέρονται σε αρχικώς επίπεδο πυθμένα. Ύστερα από κάποιες ώρες κυματικής δράσης εγκαθιδρύονταν μόνιμες συνθήκες και μετριόταν η τελική βυθομετρία. Στη διεθνή βιβλιογραφία υπάρχει έλλειψη μετρήσεων σχετικών με τη μορφολογική εξέλιξη του πυθμένα στα κατάντη ύφαλων κυματοθραυστών. Από αυτή την άποψη, τα συγκεκριμένα εργαστηριακά πειράματα προσφέρουν πρωτοτυπία, τόσο παρέχοντας ένα σύνολο δεδομένων για την επαλήθευση μοντέλων, όσο και συνεισφέροντας στην απευθείας εξαγωγή συμπερασμάτων για τη συμπεριφορά των έργων αυτών. Το σύνθετο αριθμητικό μοντέλο επεκτάθηκε και σε πορώδεις πυθμένες. Παράλληλα, πραγματοποιήθηκε ανάλυση των μαθηματικών ιδιοτήτων της τελικής μορφής των εξισώσεων, η οποία έδειξε βελτιωμένη συμπεριφορά σε σχέση με άλλα αντίστοιχα μοντέλα. Τα προαναφερθέντα οκτώ σενάρια που μελετήθηκαν στο εργαστήριο προσομοιώθηκαν από το μοντέλο, ώστε να ελεγχθεί η ικανότητά του να περιγράφει τις σύνθετες υδροδυναμικές και μορφολογικές διεργασίες που εξελίσσονται υπό την παρουσία διαπερατών ύφαλων κυματοθραυστών. Το τελευταίο βήμα της Διατριβής περιλάμβανε την εκτέλεση αριθμητικών πειραμάτων ώστε να διερευνηθεί η απόκριση της ακτογραμμής σε ένα σύστημα διαπερατών ύφαλων κυματοθραυστών. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε η εξάρτησή της από κάποιες βασικές παραμέτρους σχεδιασμού των έργων αυτών. Κατά το παρελθόν, έχει προταθεί ένας αριθμός εμπειρικών κριτηρίων και κανόνων σχεδιασμού των έξαλων κυματοθραυστών, όσον αφορά την ακτομηχανική συμπεριφορά τους. Αντιθέτως, παρόμοιοι, αξιόπιστοι κανόνες σχεδιασμού για ύφαλους κυματοθραύστες δεν απαντώνται στη διεθνή βιβλιογραφία. Από την αριθμητική διερεύνηση στο πλαίσιο της παρούσας Διατριβής παρήχθησαν διαγράμματα που συνδέουν την εξέλιξη της ακτογραμμής με βασικές παραμέτρους σχεδιασμού των ύφαλων κυματοθραυστών. Τα διαγράμματα αυτά μπορούν να συμβάλουν στην κατανόηση των σχετικών σύνθετων μορφολογικών διεργασιών· ωστόσο περαιτέρω διερεύνηση απαιτείται ώστε να αποφανθούμε εάν είναι δυνατόν να εξαχθούν γενικοί κανόνες σχεδιασμού των έργων αυτών, παρόμοιοι με αυτούς των συμβατικών κυματοθραυστών. Συνοπτικά, οι δύο προαναφερθέντες βασικοί στόχοι της Διατριβής καλύφθηκαν σε επαρκή βαθμό. Αναπτύχθηκε και επαληθεύτηκε ένα ολοκληρωμένο αριθμητικό εργαλείο για την πρόβλεψη και περιγραφή των μορφοδυναμικών διεργασιών σχετικά με τους ύφαλους κυματοθραύστες, ενώ εξήχθη αριθμός συμπερασμάτων από την πειραματική και αριθμητική διερεύνηση της συμπεριφοράς των έργων αυτών. Η Διατριβή ολοκληρώνεται με κάποιες προτάσεις για περαιτέρω έρευνα σχετικά με το αντικείμενο που εξετάστηκε.