Πειραματική και αριθμητική προσομοίωση των εγκάρσιων κυματογενών διεργασιών στη μέθοδο της τεχνητής αναπλήρωσης των ακτών

Abstract

In the present study beach nourishment method is presented as an environmental friendly method against beach erosion. Beach nourishment method is applicable with great success in the United States of America and other European countries as well. Bibliography as far as experiments of beach nourishment method is concerned is limited. There are few two dimension experiments trying to reproduce the evolution of the cross shore section where beach nourishment method is applied. A limited number of experiments with beach nourishment method combined with submerged structure performed as well. Τhe present study is an attempt to simulate cross shore wave processes in beach nourishment method both experimentally and numerical. In addition the combination of beach nourishment method with submerged structures is performed. After the application of beach nourishment experimentally, numerical simulation is applied in order to compare methods. In the past experiments of beach nourishment with mild beach-face slope are performed. In most cases the beach face-slope was 1:5 or less. We applied beach nourishment method with steep beach-face slope 1:2 and 1:4. Beach nourishment with submerged structures in various wave combinations examined as well. Erosion of beach-face occurred from the beginning of experimental procedure. An underwater sill is formatted in order to protect the beach from greater erosion. The sill was moving seawards as experimental evolves. After a while the beach profile reaches its equilibrium profile. After that moment no change of the beach profile is detected. The impact of submerged structure was beneficial for the beach. Erosion degree is greater when no structure exists. Equilibrium profile is not very constant with the profile that Dean describes with the equation Y=AN x2/3. The formation of the underwater sill is not described in Dean’s equation. Experiments showed that the beach formats this underwater sill in order to protect its face from further erosion. A new numerical model is used in the present study. Boussinesq model was modified in order to reproduce steeper slopes of beach-faces in beach nourishment method application. Results shown that numerical method and experimental method are very close related. The modification seems to be very successful. The conclusion is that we can use Dean’s equations in order to reproduce erosive conditions in a beach profile in which beach nourishment method is applied.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναλύεται η μέθοδος της τεχνητής αναπλήρωσης των ακτών σαν ένας ήπιος τρόπος προστασίας της παράκτιας ζώνης έναντι διάβρωσης. Πρόκειται για μια περιβαλλοντικά φιλική λύση σε αντίθεση με τις ¨σκληρές¨ μεθόδους (π.χ. κυματοθραύστες) που συνήθως επιλέγονται για να περιορίσουν τις συνθήκες διάβρωσης. Η μέθοδος της τεχνητής αναπλήρωσης των ακτών εφαρμόζεται με μεγάλη επιτυχία στις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής σε παράκτιες περιοχές με έντονο πρόβλημα διάβρωσης, καθώς και σε αρκετές Ευρωπαϊκές χώρες. Η βιβλιογραφία όσον αφορά την πειραματική προσέγγιση της μεθόδου τεχνητής αναπλήρωσης είναι περιορισμένη. Πιο συγκεκριμένα οι Di Risio et al., Dette et al. πραγματοποίησαν πειράματα δυο διαστάσεων με σκοπό να αναπαραστήσουν την εξέλιξη της εγκάρσιας διατομής μιας ακτής στην οποία έχει εφαρμοστεί η μέθοδος της τεχνητής αναπλήρωσης. Μελέτησαν επίσης την περίπτωση στην οποία τοποθετείται ύφαλος αναβαθμός με σκοπό να περιοριστεί ακόμα περισσότερο το φαινόμενο της διάβρωσης. Στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής γίνεται μια προσπάθεια να προσομοιωθούν οι εγκάρσιες κυματογενείς διεργασίες στη μέθοδο της τεχνητής αναπλήρωσης των ακτών, τόσο πειραματικά όσο και αριθμητικά. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα με τη χρήση διαφόρων παραμέτρων. Τα πειράματα αφορούσαν την εφαρμογή της τεχνητής αναπλήρωσης, καθώς και συνδυασμό της με άλλες μεθόδους. Πιο συγκεκριμένα μελετήθηκε η απόκριση της εγκάρσιας διατομής της ακτής όταν έχουμε ύφαλο αναβαθμό σε συνδυασμό με τεχνητή αναπλήρωση. Επίσης όταν έχουμε μια κατασκευή για τη μείωση του ύψους κύματος σε συνδυασμό με τεχνητή αναπλήρωση. Στη συνέχεια χρησιμοποιήσαμε ένα μαθηματικό ομοίωμα για να συγκρίνουμε τα αποτελέσματα του μοντέλου με αυτά της πειραματικής διαδικασίας. Οι Dette et al. και Di Risio et al. πραγματοποίησαν πειράματα εφαρμόζοντας σχετικά ήπιες κλίσεις στο πρανές της τεχνητής αναπλήρωσης (<1:5). Στην παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματοποιήθηκαν πειράματα κατά τα οποία εφαρμόστηκαν κλίσεις ακόμα πιο απότομες δηλαδή 1:4 και 1:2. Επιπλέον η επίδραση των κατασκευών που χρησιμοποιήθηκαν σε συνδυασμό με τη μέθοδο της τεχνητής αναπλήρωσης δίνουν πρωτότυπα αποτελέσματα όσον αφορά το συνδυασμό μεθόδων προστασίας των ακτών με πρανές αναπλήρωσης απότομης κλίσης. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα εφαρμογής τεχνητής αναπλήρωσης σε συνδυασμό με ύφαλο αναβαθμό. Ο αναβαθμός αυτός ο οποίος ήταν κατασκευασμένος από γεωσωλήνα τοποθετήθηκε σε συγκεκριμένο σημείο ώστε να λειτουργήσει σαν εμπόδιο, μην επιτρέποντας στην άμμο να παρασυρθεί προς τα ανοιχτά. Παράλληλα έπαιζε και το ρόλο του βυθισμένου κυματοθραύστη, μειώνοντας την ενέργεια του εφαρμοζόμενου κύματος. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας επιχειρήθηκε μια προσέγγιση με περιγραφή φυσικών διεργασιών. Η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε προσεγγίζει γεωμετρικά τη βασική εξίσωση του Dean Y=AN x2/3. Η εξίσωση του Dean επιβεβαιώνεται για το εξισορροπημένο προφίλ της ακτής πριν την εφαρμογή της μεθόδου τεχνητής αναπλήρωσης. Οι εξισώσεις που χρησιμοποίησαν οι Gonzalez et al. για το συνδυασμό τεχνητής αναπλήρωσης με ύφαλο αναβαθμό, οι οποίες ουσιαστικά προήλθαν από τις βασικές εξισώσεις του Dean, επαληθεύονται από τα αποτελέσματα της πειραματικής διαδικασίας σε μεγάλο βαθμό. Τα αποτελέσματα της πειραματικής διαδικασίας δείχνουν ότι το εξισορροπημένο προφίλ που προκύπτει μετά την εφαρμογή της μεθόδου τεχνητής αναπλήρωσης δεν συμπίπτει απόλυτα με αυτό που περιγράφει ο Dean. Το εγκάρσιο δηλαδή προφίλ παραλίας που προκύπτει τελικά δεν είναι απόλυτα σύμφωνο με την εξίσωση Y = AN x2/3. Στο εξισορροπημένο προφίλ παραλίας εμφανίζεται ένας ύφαλος αναβαθμός, ο οποίος σχηματίζεται με σκοπό να προστατεύσει την ακτή από περαιτέρω διάβρωση. Ο ύφαλος αυτός αναβαθμός σχηματίζεται αρχικά κοντά στην ακτή, και μετατοπίζεται προς τα ανοιχτά όσο το πείραμα εξελίσσεται, μέχρι την τελική εξισορρόπηση του εγκάρσιου προφίλ. Στην παρούσα διπλωματική διατριβή χρησιμοποιήθηκε ένα νέο μαθηματικό ομοίωμα. Συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκε το τροποποιημένο μαθηματικό ομοίωμα Boussinesq. Λόγω της μεγάλης κλίσης της ακτής που διαμορφώθηκε η μορφή θραύσης που παρατηρήθηκε στην περίπτωση μας ήταν τύπου κατάδυσης (plunging) και όχι τύπου υπερχείλισης (spilling). Αυτό σημαίνει ότι το παρόν μαθηματικό ομοίωμα εξελίχθηκε ώστε να περιλαμβάνει και περιπτώσεις με απότομες κλίσης ακτής (1:2, 1:4) σαν αυτές που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα εργασία. Το νέο μαθηματικό ομοίωμα επιβεβαιώθηκε πειραματικά, αφού παρουσιάζει εξισορροπημένο προφίλ παραλίας το οποίο σχεδόν ταυτίζεται με αυτό που προκύπτει μετά την ολοκλήρωση της πειραματικής διαδικασίας.