Morphodynamics in a beach with submerged breakwaters

Abstract

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. Ο συνδυασμός των ανθρώπινων δραστηριοτήτων και των φυσικών διεργασιών οδηγεί συχνά στην 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. Κατά τη διάρκεια των τελευταίων ετών, οι ύφαλοι κυματοθραύστες έχουν κινήσει το επιστημονικό ενδιαφέρον ως μία ηπιότερη εναλλακτική λύση έναντι των συμβατικών για την παράκτια προστασία. Ο βασικός στόχος της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι διπλός. Καταρχάς, να συνεισφέρει στην κατανόηση των συμπεριφοράς των ύφαλων κυματοθραυστών. Κατά δεύτερον, να αναπτυχθεί ένα ολοκληρωμένο αριθμητικό μοντέλο για την προσομοίωση των σύνθετων υδροδυναμικών και μορφοδυναμικών διεργασιών που σχετίζονται με τα έργα αυτά. Η Διατριβή περιλάμβανε επίσης την εκτέλεση εργαστηριακών μετρήσεων για την επιπλεόν μελέτη των διεργασιών αυτών πειραματικά. Το πρώτο βήμα ήταν η επιλογή του κατάλληλου κυματικού μοντέλου που αποτελεί τη βάση της εργασίας. Στα πλαίσια αυτής εξήχθησαν βελτιωμένες, ως προς τα μη γραμμικά χαρακτηριστικά τους, εκδόσεις δύο υπάρχοντων μοντέλων τύπου Boussinesq. Η τελική επιλογή της μορφής των βασικών εξισώσεων πραγματοποιήθηκε μέσω μη γραμμικής μαθηματικής ανάλυσης και σύγκρισης διαφόρων μοντέλων τύπου Boussinesq. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκε ένα σύνθετο αριθμητικό μοντέλο που συνδυάζει τέσσερα υπομοντέλα 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 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 για διαπερατούς ύφαλους κυματοθραύστες. Η ακρίβεια και αξιοπιστία καθενός από τα υπομοντέλα ελέγχθηκε μέσω εκτενούς επαλήθευσης με πειραματικά δεδομένα της διεθνούς βιβλιογραφίας.Επιπλέον, εκτελέστηκαν εργαστηριακά πειράματα δύο οριζόντιων διαστάσεων, κατά τη διάρκεια των οποίων μετρήθηκε η εξέλιξη της τοπογραφίας αμμώδους πυθμένα κατάντη διαπερατού ύφαλου κυματοθραύστη. Οι μετρήσεις αυτές χρησίμευσαν και για την επαλήθευση του σύνθετου αριθμητικού μοντέλου. Τέλος, εκτελέστηκε μια σειρά από αριθμητικά πειράματα σε διατάξεις που περιλάμβαναν συστήματα ύφαλων κυματοθραυστών. Συγκεκριμένα, εξετάστηκε η απόκριση της ακτογραμμής στις μεταβολές κάποιων βασικών παραμέτρων σχεδιασμού των ύφαλων κυματοθραυστών. Έτσι, εξήχθησαν κάποια συμπεράσματα και γενικές κατευθυντήριες γραμμές για το σχεδιασμό των έργων αυτών.Η Διατριβή ολοκληρώνεται με τη σύνοψη των βασικών συμπερασμάτων και την αναφορά κάποιων προτάσεων για περαιτέρω έρευνα σχετικά με το αντικείμενο που εξετάστηκε.