Μελέτη της υδροδυναμικής μεταφοράς και διάχυσης ρυπαντικών φορτιών στον Ευβοϊκό υπό παλιρροιακές συνθήκες και παράκτιες περιβαλλοντικές επιπτώσεις

Abstract

In this doctoral thesis, the hydrodynamic characteristics of the Euboean water column, as they are influenced by the prevailing meteorological and tidal conditions in the area, and the influence of these conditions on the mechanisms of Euboean water circulation were investigated. The research was carried out using a numerical model based on fluid computational methods. (Computational Fluid Dynamics). These methods are widely considered in the science of fluid engineering, solving equations that describe the flow of fluid. Hydrodynamic circulation in the marine environment, characterized by the effect of intense tide, atmospheric charge and bathymetry peculiarity, is a complex phenomenon. The physical and hydrodynamic characteristics of this flow are absolutely crucial for the vertical mixing of the marine masses and thus the mixing of their physicochemical parameters, such as nutrients and oxygen. The diffusion and hydrodynamic transport of passive pollutants, the renewal of water and the overall environmental status of the water body are also affected. Tidal currents in the Euboean Gulf are probably one of the oldest historically studied tidal phenomena. Eratosthenes, Pytheas, Poseidon, but also Stravon and Seneca were some of the ancients who studied this phenomenon. The Euboean Gulf has been the subject of a remarkable number of investigations since the early 20th century. Aeginitis made a thorough review of the literature and measurements regarding tide in the Euboean. Sterneck simulated the propagation of tidal waves along the axis of the northern and southern Euboean Gulf, assuming that the Strait of Euripos is closed and was able to describe the main features of the tide. The first hydrodynamic model for the study area was developed by Livieratos, while Tsiblis applied two models, one low resolution for the propagation of tidal waves in the north and south Euboean and one high resolution focused on the Strait of Euripos.Despite the fact that the tidal phenomenon in the Euboean has been studied since ancient time, even today there are no systematic measurements and not enough relevant research. Tidal stations as well as satellite elevation data have been used to systematically monitor sea level change on the coasts of southern Europe. There are a total of 17 tidal stations located on the shores of the Mediterranean Sea and the Atlantic Ocean, but not in the Euboean Gulf. In the wider region the tide dynamics in a system of interconnected seas of the Mediterranean, the Marmara Sea and the Black Sea have been investigated by Ferrarin et. al., 2018, and the numerical results described the main tidal characteristics of this marine system, but without specific information on the Euboean Gulf. The contribution of tidal currents has been also examined by Poulos et. al., 2001 on the resuspension, erosion and deposition of suspended sediments in the marine area of Avlida, located within the research area of the present work. However, there is a significant lack of knowledge in the literature on the dynamic characteristics of the intense tide present in the Euboean Gulf, and its impact on the interconnected water system of the northern and southern Euboean Gulf. There is a lack of knowledge about the hydraulics of water exchange due to tidal and other loads between the two bays connected through a narrow and shallow channel, as well as the mode of transport and dispersion of pollutants. In the present PhD thesis the numerical hydrodynamic and environmental simulation of the Euboean is performed using the three-dimensional hydrodynamic model ELCOM and its associated environmental model CAEDYM. It includes the study of the hydrodynamic and biochemical characteristics of the Euboean water column. The hydrodynamic transport and diffusion of municipal waste was investigated, with both inert and biodegradable contaminant loads containing and disposing in the marine area under investigation, which were also simulated.Briefly, the effects of tides, atmospheric loads and oceanographic conditions on mixing and transport of pollutants were simulated. It was investigated the renewal of the waters of the Euboean Gulf with the "clean" water of the open sea by calculating the age of the water in all cells. The renewal was tested both on the surface layers, where the effect of tide and wind is stronger, as well as on the deeper layers, and also on the bottom. The effect of density stratification on limiting vertical mixing and entrapment of pollutants in the deeper layers was examined. Furthermore, the combined impact of the municipal waste effluent on selected areas of high economic, tourist and environmental value in the Euboean Gulf was assessed. Initially, the hydrodynamic circulation in the Euboean Gulf region was simulated computationally by applying the three-dimensional hydrodynamic model ELCOM. This model includes the effect of intense tide, which characterizes the study area, the Coriolis force due to the rotation of the earth, and the effect of climatic factors such as: total solar radiation, atmospheric pressure, relative humidity, precipitation altitude, and wind speed and direction. To the best of our knowledge, there is no comparable research for the area under consideration. The purpose of this thesis is to investigate the effect of tidal flow on the physical and hydrodynamic characteristics of the examined marine area such as salinity, water temperature, density stratification, water circulation, flow velocities etc. These characteristics are considered absolutely crucial for the vertical mixing of the marine masses and therefore for the mixing of their physico-chemical parameters, such as nutrients and oxygen and also for the renewal of the waters of the Euboean Gulf. The ultimate goal of this thesis is to investigate the diffusion and hydrodynamic transport of passive and real pollutants in this area, under the influence of the above parameters and conditions. The ELCOM model has been used successfully in many relevant surveys around the world, such as the northern Aegean Sea, the northern Adriatic Sea near the research area of this dissertation, and the Persian Gulf, where the tide was even simulated. The study area consists of the northern Euboean gulf with a total surface area of 1060 Km2 and the southern Euboean gulf with an area of 900 Km2. These two bays are connected through the Euripos River, a narrow and shallow 40 m x 40 m x 10 m canal. The main feature of this marine area, as already mentioned, is the presence of intense tides. ELCOM, used for numerical simulation of the region, uses hydrodynamic and thermodynamic models to simulate the time behavior of stratified flows, under the influence of environmental actions. The numerical method applied by ELCOM solves the non-constant Navier-Stokes equations for uncompressed flow, ignoring the non-hydrostatic pressure conditions. For the horizontal turbulence, the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations are solved, and the turbulence closure is performed using a turbulence coefficient, while for the vertical turbulence a vertical mixing layer model is applied. The transfer of passive and active scalar sizes (eg tracers, salinity and temperature) is also carried out using the ULTIMATE QUICKEST semi-selective conservation method.The area of the Euboean Gulf, selected for the numerical simulation of the present study, is bounded on the west by Central Greece-Attica, east of Euboea, and the northern and southern Aegean, which constitute its "open" border conditions. simulation space. A variable dimensional rectangular computational grid was formed, constructed of rectangular computation cells measuring 40 m x 100 m up to 400 m x 400 m. The gradual change of the size of the computational cells was necessary, due to the restrictive width of 40 meters on the Euripos on the one hand, and the avoidance of excessive number of cells on the other, in the case of the use of fixed cells of 40 mx 40 m, which made it impossible to perform the computation code. A total of 20 layers were defined in the vertical direction of the computing space. The first 8 layers of the surface were of variable thickness from 2.5 m to 5.0 m with a gradual increase, while the remaining 13 deeper layers to the bottom had a constant thickness of 5.0 m. This vertical discretization, by selecting a vertical grid as dense as possible, was made to: (a) To simulate as accurately as possible the hydrodynamic circulation of the 10 m depth strait of Euripos, which was absolutely crucial for the communication between the northern and southern Euboean Gulf. (b) Better capture the results in deep coastal areas of particular interest; and c) To achieve the greatest possible accuracy in the vertical distribution of velocities (in particular of tides), density stratification and tracers concentrations in depth. The maximum simulation depth reached -86.0 m in the southern part of southern Euboean and the computational network consisted of a total of 225,351 active water cells. At the bottom, a turbulent benthic boundary condition was used, by applying a constant coefficient of friction. The open boundary conditions were applied to the northern and southern boundaries of the computational space, which allowed passive water flow or outflow from each cell according to the flow requirements. Based on observations and measurements reported in the literature, boundary conditions of variable sea level were imposed at the northern and southern boundaries of the computational space in order to simulate the tide.The literature search did not provide systematic measurements of temperature and salinity for the northern and southern borders of the Euboean Gulf with the open Aegean Sea, so that they can be used as boundary conditions in the present study. All that is available is temperature and salinity forecasts at these locations from the records of the valid COPERNICUS marine environment monitoring service, and these forecasts provide the initial and limiting conditions for these parameters. The time step between the recycles was 1.0 min and the simulation was performed for one year (2016), which was considered as a typical year. Meteorological data were introduced every 10 minutes, namely wind speed and direction, atmospheric pressure, air temperature, relative humidity, rainfall amount and total solar radiation. These data were measured by meteorological stations of the National Meteorological Service, located in the cities of Lamia and Aliarto, adjacent to the study area. The movement of water from the open marginal conditions of the northern and southern Aegean was simulated using two conservative tracers. These two indices, with a dimensional concentration at the open boundaries equal to the unit, are intended to monitor the source of water in each cell of the computational space and their mixing with Euboean water during simulation development. The simulation was completed using the CAEDYM environmental model, which works with the three-dimensional hydrodynamic ELCOM model to calculate the transfer and mixing of environmental characteristics. CAEDYM calculates all the abiotic and biotic elements of an aquatic ecosystem, such as oxygen, nutrients, elements of carbon (C), nitrogen (N) and phosphorus (P). It also calculates multiple functional phytoplankton groups, such as zooplankton and marine organisms, benthic communities, and more. It solves a system of differential equations, which include a set of processes of carbon (C), nitrogen (N), phosphorus (P) and dissolved oxygen (DO) cycles, several orders of magnitude of suspended solids, as well as phytoplankton dynamics. The collaboration between ELCOM and CAEDYM models is an integrated arithmetic system, consisting of a set of arithmetic models (hydrodynamic, thermodynamic, biogeochemical) capable of accurately rendering the function and behavior of an aquatic body, which also has an ecosystem, such as is that of the Euboean. This combination of the above numerical models is considered to be the strongest point of their superiority over the other models in this category. Also, the ability to simulate urban waste water available to the Euboean by underwater conduits using numerical traces makes the ELCOM-CAEDYM system an important and most suitable tool for monitoring hydrodynamic transport and diffusion. the waste and the pollutants contained therein. This monitoring takes into account the prevailing meteorological loads as well as the effect of the high tide, which results in the appearance of a high velocity field at the Strait of Euripos, with maximum values approaching 2.5 m / s. This kind of simulation in the study area has not been done in the literature to date. In particular, in this doctoral thesis the following were done:Simulation of the computational space for a typical year with the ELCOM hydrodynamic model and for a shorter time with the CAEDYM environment with their reliability test. Calibration of the ELCOM hydrodynamic model based on salinity and temperature forecasts and based on field-measured water velocities. In the environmental model CAEDYM the calibration was based on predictions of dissolved oxygen, chlorophyll- (a) and nutrient concentrations in the Euboean water column. The results were analyzed and evaluated and the way in which tidal but atmospheric loading and sinking affect hydrodynamic circulation as well as water mass mixing was investigated in detail. The results of this simulation for mean salinity and mean temperature were compared with COPERNICUS projections for all months of the annual simulation, at specified locations and for various depths, and were considered satisfactory. The validity of the results was further confirmed by the predicted maximum flow velocity in the Strait of Euripos, which was equal to the measured value in the natural field, and the depth of the tide effect was also investigated. The analysis revealed velocity fields both at the surface and at different depths at each time point. It was found that the distribution of velocity in depth at the Strait of Euripos is approximately constant. It was found that the distribution of water density with depth is mainly influenced by temperature change and less by salinity change. At various times (especially during warmer months) the formation of depth-stratification was controlled, potentially preventing the vertical mixing of the marine masses and consequently the mixing of their physicochemical parameters, such as nutrients and oxygen.It was investigated, the renewal of the waters of the Euboean Gulf with "pure" open sea water by calculating the age of the water in all cells. Waters were re-examined both on the surface layers, with the effect of tide and wind, as well as on the deeper layers, but also on the bottom. The temporal evolution of water renewal in the surface, intermediate and bottom layers was also investigated. The mixing, transport and dilution of pollutants in the distant area were also simulated within the complex hydrodynamic field created by the aforementioned charges. These pollutants are contained in treated municipal waste from six simulated offshore pipelines operating in the wider area that have been simulated. The effect of density stratification on limiting vertical mixing and entrapment of pollutants in the deeper layers was also investigated. At the same time, the combined impact of the effluent from the above- mentioned pipelines, in selected areas of high economic, tourist and environmental value, on the Euboean Gulf was assessed. 6) The study and investigation of tidal charge, as well as other atmospheric parameters of the Euboean Gulf, the evolution of its hydrodynamic and biochemical characteristics, as well as the dynamics of transport and diffusion of urban-industrial wastewater available in it this PhD thesis, contributes research and scientific to: It provides a detailed presentation and assessment of the hydrodynamic and biochemical characteristics of the Euboean water column in specific locations and in coastal areas. 7) For the first time, the use of appropriate computational indicators is used to assess the impact of municipal waste that ends up in the Euboean coastal areas under the prevailing tidal and meteorological conditions. 8) Areas identified, which due to slower than other renewables, tend to be more "vulnerable" to pollution, than urban waste water, which is available in the wider Euboean area, but also from pollutants of different origins , which are not considered in this PhD thesis. 9) Emphasizes the need to correlate the tidal effect on the variation of the dilution and diffusion of urban pollutants available in the wider Euboean region with the dimensioning of the wastewater treatment plants from which they originate, with a view to optimization the economics of construction, design parameters, future new installations or extensions of existing ones. 10) There is also a need for systematic measurements of the change in the level of the free surface of the sea, on the northern and southern borders of the Euboean with the open sea of the Aegean. The need for up-to-date and systematic measurements of physicochemical parameters and other pollutants in the area in order to exploit these data in future simulations with similar computational models is also highlighted.Finally, from the overall results of this PhD thesis, it is evident that the numerical research methodology proposed, validated and evaluated for the case of the Euboean can be the basis but also an integrated and reliable research tool for other similar hydrodynamic systems, which will be subject to different effects, with application to other areas.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνήθηκαν τα υδροδυναμικά χαρακτηριστικά της υδάτινης στήλης του Ευβοϊκού, όπως αυτά επηρεάζονται από τις επικρατούσες μετεωρολογικές και παλιρροιακές συνθήκες στην περιοχή καθώς και η επίδραση των συνθηκών αυτών στους μηχανισμούς κυκλοφορίας των υδάτων του Ευβοϊκού. Η έρευνα έγινε με τη χρήση αριθμητικού μοντέλου, το οποίο βασίζεται σε μεθόδους υπολογιστικής μηχανικής ρευστών (Computational Fluid Dynamics). Οι μέθοδοι αυτοί θεωρούνται ευρέως διαδεδομένες στην επιστήμη της μηχανικής ρευστών, επιλύοντας εξισώσεις που περιγράφουν την ροή του ρευστού. Η υδροδυναμική κυκλοφορία σε θαλάσσιο περιβάλλον, που χαρακτηρίζεται από την επίδραση έντονης παλίρροιας, ατμοσφαιρικής φόρτισης και ιδιομορφίας της βαθυμετρίας, είναι ένα περίπλοκο φαινόμενο. Τα φυσικά και υδροδυναμικά χαρακτηριστικά της ροής αυτής είναι απολύτως καθοριστικά για την κατακόρυφη ανάμιξη των θαλάσσιων μαζών και κατά συνέπεια την μίξη των φυσικοχημικών παραμέτρων τους, όπως θρεπτικά άλατα και οξυγόνο. Επηρεάζεται επίσης η διάχυση και υδροδυναμική μεταφορά παθητικών ρύπων, η ανανέωση των νερών αλλά και η γενικότερη περιβαλλοντική κατάσταση του υδάτινου φορέα. Τα παλιρροιακά ρεύματα στον Ευβοϊκό κόλπο είναι ενδεχομένως ένα από τα παλαιότερα ιστορικά μελετηθέντα παλιρροιακά φαινόμενα. Ο Eρατοσθένης, ο Πυθέας, ο Ποσειδώνιος αλλά και οι Στράβων και Σένεκας ήταν μερικοί από την αρχαιότητα, που μελέτησαν το φαινόμενο αυτό. O Ευβοϊκός κόλπος απετέλεσε το αντικείμενο ενός αξιοσημείωτου αριθμού ερευνών από τις αρχές του 20ου αιώνα. Ο Αιγινίτης έκανε μια εμπεριστατωμένη ανασκόπηση της βιβλιογραφίας και των μετρήσεων αναφορικά με την παλίρροια στον Ευβοϊκό. Ο Sterneck το 1916, προσομοίωσε τη διάδοση των παλιρροιακών κυμάτων κατά μήκος του άξονα του βόρειου και νότιου Ευβοϊκού κόλπου υποθέτοντας, ότι τα στενά του Ευρίπου είναι κλειστά και κατάφερε να περιγράψει τα κύρια χαρακτηριστικά της παλίρροιας. Το πρώτο υδροδυναμικό μοντέλο για την μελετώμενη περιοχή κατασκευάσθηκε το 1978 από τον Λιβιεράτο, ενώ ο Tsipmplis εφάρμοσε δύο μοντέλα, ένα χαμηλής ανάλυσης το 1997, για τη διάδοση των παλιρροιακών κυμάτων στον βόρειο και νότιο Ευβοϊκό και ένα υψηλής ανάλυσης το 2010, εστιασμένο στα στενά του Ευρίπου. Παρά το γεγονός, ότι το παλιρροιακό φαινόμενο στον Ευβοϊκό άρχισε να μελετάται από την αρχαιότητα, ακόμα και σήμερα δεν υπάρχουν συστηματικές μετρήσεις και ούτε αρκετές σχετικές έρευνες. Παλιρροιακοί σταθμοί αλλά και δορυφορικά υψομετρικά δεδομένα έχουν χρησιμοποιηθεί για την συστηματική παρακολούθηση της μεταβολής της στάθμης της θάλασσας στις ακτογραμμές της νότιας Ευρώπης. Υπάρχουν συνολικά εγκατεστημένοι 17 παλιρροιακοί σταθμοί στις ακτές της Μεσογείου θάλασσας αλλά και του Ατλαντικού ωκεανού, όχι όμως στον Ευβοϊκό κόλπο. Στην ευρύτερη περιοχή η δυναμική της παλίρροιας σε ένα σύστημα διασυνδεδεμένων θαλασσών της Μεσογείου, της θάλασσας Μαρμαρά και της Μαύρης θάλασσας έχει ερευνηθεί από τους Ferrarin et. al., 2018, και τα αριθμητικά αποτελέσματα περιέγραψαν τα κυριότερα χαρακτηριστικά της παλίρροιας του συγκεκριμένου θαλάσσιου συστήματος, χωρίς όμως ιδιαίτερες πληροφορίες για τον Ευβοϊκό κόλπο. Επίσης η συμβολή των παλιρροϊκών ρευμάτων έχει εξετασθεί από τους Poulos et. al., 2001 ως προς την επαναιώρηση, διάβρωση και απόθεση των αιωρούμενων ιζημάτων στη θαλάσσια περιοχή της Αυλίδας, που βρίσκεται εντός της περιοχής έρευνας της παρούσας εργασίας. Παρόλα αυτά, υπάρχει σημαντικό έλλειμα γνώσης στη βιβλιογραφία για τα δυναμικά χαρακτηριστικά της έντονης παλίρροιας, που υπάρχει στον Ευβοϊκό κόλπο, και της επίδρασής της στο διασυνδεμένο υδάτινο σύστημα του βόρειου και νότιου Ευβοϊκού κόλπου. Υπάρχει έλλειψη γνώσης για την υδραυλική της ανταλλαγής υδάτων, λόγω παλίρροιας και άλλων φορτίσεων μεταξύ των δύο κόλπων, που συνδέονται μέσω ενός στενού και αβαθούς καναλιού, καθώς επίσης και για τον τρόπο μεταφοράς και διασποράς ρύπων. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματοποιείται με την χρήση του τρισδιάστατου υδροδυναμικού μοντέλου ELCOM και του συνεργαζόμενου με αυτό, μοντέλου ποιότητας υδάτων CAEDYM η αριθμητική υδροδυναμική και περιβαλλοντική προσομοίωση του Ευβοϊκού. Περιλαμβάνει την μελέτη των υδροδυναμικών και βιοχημικών χαρακτηριστικών της υδάτινης στήλης του Ευβοϊκού. Διερευνήθηκε η υδροδυναμική μεταφορά και διάχυση των αστικών αποβλήτων, με τα αδρανή αλλά και τα βιοδιασπώμενα ρυπαντικά φορτία που αυτά περιέχουν και διατίθενται στην εξεταζόμενη θαλάσσια περιοχή μέσω υποθαλάσσιων αγωγών, που επίσης προσομοιώθηκαν. Συνοπτικά προσομοιώθηκαν υπολογιστικά οι επιδράσεις λόγω παλίρροιας, ατμοσφαιρικών φορτίσεων και ωκεανογραφικών συνθηκών, στην ανάμιξη και μεταφορά ρύπων. Διερευνήθηκε η ανανέωση των νερών του Ευβοϊκού κόλπου με το «καθαρό» νερό του ανοιχτού πελάγους μέσω του υπολογισμού της ηλικίας του νερού σε όλα τα υπολογιστικά κελιά. Η ανανέωση εξετάσθηκε τόσο στα επιφανειακά στρώματα, όπου η επίδραση της παλίρροιας και του ανέμου είναι ισχυρότερη, όσο και στα βαθύτερα στρώματα, αλλά και στον πυθμένα. Εξετάσθηκε η επίδραση της στρωμάτωσης πυκνότητας στον περιορισμό της κατακόρυφης ανάμιξης και στον εγκλωβισμό των ρύπων στα βαθύτερα στρώματα. Ακόμη, εκτιμήθηκε η συνδυαστική επίδραση των εκροών υγρών αστικών αποβλήτων σε επιλεγείσες περιοχές υψηλής οικονομικής, τουριστικής και περιβαλλοντικής αξίας στον Ευβοϊκό κόλπο. Αρχικά προσομοιώθηκε υπολογιστικά η υδροδυναμική κυκλοφορία στην περιοχή του Ευβοϊκού κόλπου, με την εφαρμογή του τρισδιάστατου υδροδυναμικού μοντέλου ELCOM. Το μοντέλο αυτό συμπεριλαμβάνει την επίδραση της έντονης παλίρροιας, που χαρακτηρίζει την περιοχή μελέτης, την δύναμη Coriolis, λόγω περιστροφής της γης, καθώς και την επίδραση των κλιματολογικών παραγόντων, όπως: ολική ηλιακή ακτινοβολία, ατμοσφαιρική πίεση, σχετική υγρασία, ύψος βροχόπτωσης, θερμοκρασία αέρα και ταχύτητα και διεύθυνση του ανέμου. Εξ όσων γνωρίζουμε, δεν υπάρχει ανάλογη έρευνα για την εξεταζόμενη περιοχή. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η διερεύνηση της επίδρασης της παλιρροιακής ροής, στα φυσικά και υδροδυναμικά χαρακτηριστικά της συγκριμένης θαλάσσιας περιοχής, όπως η αλατότητα, η θερμοκρασία νερού, η στρωμάτωση πυκνότητας, η κυκλοφορία υδάτων, οι ταχύτητες ροής κ.α. Τα χαρακτηριστικά αυτά, θεωρούνται απολύτως καθοριστικά για την κατακόρυφη ανάμιξη των θαλάσσιων μαζών και κατά συνέπεια για την μίξη των φυσικοχημικών παραμέτρων τους, όπως θρεπτικά άλατα και οξυγόνο καθώς και για την ανανέωση των νερών του Ευβοϊκού κόλπου. Απώτερος στόχος της παρούσας διατριβής είναι η διερεύνηση της διάχυσης και υδροδυναμικής μεταφοράς παθητικών αλλά και πραγματικών ρύπων στην περιοχή αυτή, υπό την επίδραση των παραπάνω παραμέτρων και συνθηκών.Το μοντέλο ELCOM έχει χρησιμοποιηθεί με επιτυχία σε πολλές σχετικές έρευνες ανά τον κόσμο, όπως για παράδειγμα στη θάλασσα του βορείου Αιγαίου, στην βόρεια Αδριατική θάλασσα που βρίσκονται κοντά στην περιοχή έρευνας της παρούσας διατριβής, καθώς και στον Περσικό κόλπο, όπου μάλιστα προσομοιώθηκε και η παλίρροια. Η περιοχή μελέτης αποτελείται από τον βόρειο Ευβοϊκό κόλπο συνολικής επιφάνειας 1060 Km2 και από τον νότιο Ευβοϊκό κόλπο με εμβαδό 900 Km2. Οι δύο αυτοί κόλποι συνδέονται μεταξύ τους μέσω του πορθμού του Ευρίπου, που είναι ένα στενό και αβαθές κανάλι διαστάσεων 40 m x 40 m x 10 m. Το κύριο χαρακτηριστικό της θαλάσσιας αυτής περιοχής, όπως ήδη αναφέρθηκε, είναι η ύπαρξη έντονης παλίρροιας. Το ELCOM, που χρησιμοποιήθηκε για την αριθμητική προσομοίωση της περιοχής, χρησιμοποιεί υδροδυναμικά και θερμοδυναμικά μοντέλα για την προσομοίωση της χρονικής συμπεριφοράς στρωματοποιημένων ροών, υπό την επιρροή περιβαλλοντικών δράσεων. Η αριθμητική μέθοδος που εφαρμόζεται από το ELCOM επιλύει τις μη μόνιμες εξισώσεις Navier-Stokes για ασυμπίεστη ροή, αγνοώντας τους μη υδροστατικούς όρους πίεσης. Για την οριζόντια τύρβη λύνονται οι μέσες χρονικά κατά Reynolds εξισώσεις Navier-Stokes και το κλείσιμο της τύρβης πραγματοποιείται μέσω ενός συντελεστή τυρβώδους συνεκτικότητας, ενώ όσον αφορά την κατακόρυφη τύρβη εφαρμόζεται ένα μοντέλο στρώματος κατακόρυφης ανάμειξης. Επίσης, η μεταφορά των παθητικών και ενεργητικών βαθμωτών μεγεθών (π.χ. δείκτες - tracers, αλατότητα και θερμοκρασία) πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας τη συντηρητική μέθοδο ημιεπιλεγμένης διακριτοποίησης ULTIMATE QUICKEST. Η περιοχή του Ευβοϊκού κόλπου, που επιλέχθηκε για την αριθμητική προσομοίωση της παρούσας έρευνας, οριοθετείται στα δυτικά από την Στερεά Ελλάδα-Αττική, ανατολικά από την Εύβοια, καθώς και από το βόρειο και νότιο Αιγαίο, τα οποία και αποτελούν «ανοιχτές» συνοριακές συνθήκες του χώρου προσομοίωσης. Διαμορφώθηκε ένα μεταβλητών διαστάσεων ορθογώνιο υπολογιστικό πλέγμα, δομημένο από ορθογώνια υπολογιστικά κελιά διακριτοποίησης διαστάσεων από 40 m x 100 m έως και 400 m x 400 m. Η προοδευτική μεταβολή των διαστάσεων των υπολογιστικών κελιών ήταν αναγκαία, λόγω του περιοριστικού πλάτους των 40 μέτρων του πορθμού του Ευρίπου αφενός και της αποφυγής υπερβολικού αριθμού κελιών αφετέρου, στην περίπτωση της χρήσης κελιών σταθερών διαστάσεων 40 m x 40 m, που καθιστούσε αδύνατη την εκτέλεση του υπολογιστικού κώδικα. Κατά την κατακόρυφη διεύθυνση του υπολογιστικού χώρου ορίστηκαν συνολικά 20 στρώσεις. Οι πρώτες 8 στρώσεις από την επιφάνεια ήταν μεταβλητού πάχους από 2.5 m έως και 5.0 m με προοδευτική αύξηση, ενώ οι υπόλοιπες 13 βαθύτερα ευρισκόμενες στρώσεις μέχρι και τον πυθμένα είχαν σταθερό πάχος 5.0 m. Η κατακόρυφη αυτή διακριτοποίηση, με την επιλογή ενός όσο το δυνατό πιο πυκνού κατακόρυφου υπολογιστικού πλέγματος, έγινε ώστε: α) Να προσομοιωθεί όσο το δυνατό ακριβέστερα η υδροδυναμική κυκλοφορία του πορθμού του Ευρίπου βάθους 10 m, που ήταν απολύτως καθοριστική για την επικοινωνία βορείου και νοτίου Ευβοϊκού κόλπου. β) Να αποτυπωθούν καλύτερα τα αποτελέσματα στις αβαθείς παράκτιες περιοχές, που παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον και γ) Να επιτευχθεί η μεγαλύτερη δυνατή ακρίβεια στην κατακόρυφη διανομή ταχυτήτων (ιδιαίτερα λόγω παλίρροιας), στρωμάτωσης πυκνότητας και συγκεντρώσεων δεικτών (tracers) κατά βάθος. Το μέγιστο βάθος προσομοίωσης έφτασε τα -86.0 m στο νοτιότερο τμήμα του νότιου Ευβοϊκού και το υπολογιστικό δίκτυο αποτελούνταν συνολικά από 225,351 ενεργά υδάτινα κελιά. Στον πυθμένα χρησιμοποιήθηκε οριακή συνθήκη τύπου τυρβώδους βένθους (turbulent benthic boundary condition), εφαρμόζοντας σταθερό συντελεστή τριβής. Στο βόρειο και νότιο όριο του υπολογιστικού χώρου εφαρμόστηκαν «ανοικτές» οριακές συνθήκες, που επέτρεπαν παθητικά την εισροή ή εκροή νερού από το κάθε κελί σύμφωνα με τις ανάγκες της ροής. Με βάση παρατηρήσεις και μετρήσεις, που αναφέρονται στη βιβλιογραφία, επιβλήθηκαν οριακές συνθήκες μεταβαλλόμενης στάθμης στην επιφάνεια της θάλασσας στο βόρειο και στο νότιο όριο του υπολογιστικού χώρου, για την προσομοίωση της παλίρροιας. Από την βιβλιογραφική έρευνα δεν προέκυψαν συστηματικές μετρήσεις θερμοκρασίας και αλατότητας για το βόρειο και νότιο σύνορο του Ευβοϊκού κόλπου με την ανοιχτή θάλασσα του Αιγαίου, ώστε να χρησιμοποιηθούν στην παρούσα έρευνα ως οριακές συνθήκες. Το μόνο που υπάρχει, είναι προβλέψεις θερμοκρασίας και αλατότητας του νερού στις θέσεις αυτές από τα αρχεία του έγκυρου συστήματος COPERNICUS marine environment monitoring service, και από αυτές τις προβλέψεις προήλθαν οι αρχικές και οριακές συνθήκες για τις παραμέτρους αυτές. Το χρονικό βήμα μεταξύ των ανακυκλώσεων ήταν 1.0 min και η προσομοίωση έγινε για ένα έτος (2016), που θεωρήθηκε ως αντιπροσωπευτικό τυπικό έτος. Έγινε εισαγωγή των μετεωρολογικών δεδομένων ανά 10λεπτο, ήτοι της ταχύτητας και της κατεύθυνσης ανέμου, της ατμοσφαιρικής πίεσης, της θερμοκρασίας αέρα, της σχετικής υγρασίας, του ύψους βροχόπτωσης και της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας. Τα δεδομένα αυτά μετρήθηκαν από μετεωρολογικούς σταθμούς της Εθνικής Μετεωρολογικής Υπηρεσίας, που είναι εγκατεστημένοι στις πόλεις Λαμία και Αλίαρτο, που είναι όμορες με την υπό μελέτη περιοχή. Η κίνηση των υδάτων από τις ανοιχτές οριακές συνθήκες του βόρειου και νότιου Αιγαίου προσομοιώθηκε με τη χρήση δύο συντηρητικών δεικτών – ιχνηθετών (tracers). Οι δύο αυτοί δείκτες, με αδιάστατη συγκέντρωση στα ανοιχτά όρια ίση με τη μονάδα, έχουν σκοπό την παρακολούθηση της προέλευσης των υδάτων σε κάθε κελί του υπολογιστικού χώρου και της ανάμειξής τους με το νερό του Ευβοϊκού κατά την εξέλιξη της προσομοίωσης. Η προσομοίωση ολοκληρώθηκε, με την χρήση του μοντέλου ποιότητας νερού CAEDYM, το οποίο συνεργάζεται με το τρισδιάστατο υδροδυναμικό μοντέλο ELCOM για τον υπολογισμό της μεταφοράς και μίξης των περιβαλλοντικών χαρακτηριστικών. Το CAEDYM υπολογίζει όλα τα αβιοτικά και βιοτικά στοιχεία ενός υδάτινου οικοσυστήματος, όπως οξυγόνο, θρεπτικά, στοιχεία του άνθρακα (C), αζώτου (Ν) και φωσφόρου (Ρ). Υπολογίζει επίσης πολλαπλές λειτουργικές φυτοπλανκτονικές ομάδες, όπως ζωοπλαγκτού και θαλάσσιων οργανισμών (ψαριών), βενθικές βιοκοινότητες κ.α. Επιλύει ένα σύστημα διαφορικών εξισώσεων, οι οποίες περιλαμβάνουν ένα σύνολο διεργασιών των κύκλων άνθρακα (C), αζώτου (N), φωσφόρου (P) και διαλυμένου οξυγόνου (DΟ), αρκετών τάξεων μεγέθους αιωρούμενων στερεών, καθώς και την δυναμική του φυτοπλανκτού. Η συνεργασία των μοντέλων ELCOM και CAEDYM αποτελεί ένα ολοκληρωμένο αριθμητικό σύστημα, το οποίο συγκροτείται από ένα σύνολο αριθμητικών μοντέλων (υδροδυναμικό, θερμοδυναμικό, βιογεωχημικό), ικανών να αποδώσουν με ακρίβεια τον τρόπο λειτουργίας και συμπεριφοράς ενός υδάτινου φορέα, που είναι παράλληλα και οικοσύστημα, όπως είναι αυτό του Ευβοϊκού. Η συνδυαστική αυτή ικανότητα των παραπάνω αριθμητικών μοντέλων θεωρείται και το πιο ισχυρό σημείο της υπεροχής τους έναντι των υπολοίπων μοντέλων της κατηγορίας αυτής. Επίσης, η δυνατότητα της προσομοίωσης των αστικών λυμάτων, που διατίθενται στον Ευβοϊκό μέσω υποθαλάσσιων αγωγών, με την χρήση αριθμητικών παθητικών δεικτών (traces), καθιστά τo σύστημα μοντέλων ELCOM-CAEDYM ένα σημαντικό και πλέον κατάλληλο εργαλείο για την παρακολούθηση της υδροδυναμικής μεταφοράς και της διάχυσης των αποβλήτων αλλά και των ρύπων, που εμπεριέχονται σ’ αυτά. Κατά την παρακολούθηση αυτή λαμβάνονται υπόψη οι επικρατούσες μετεωρολογικές φορτίσεις αλλά και η επίδραση της έντονης παλίρροιας, που οδηγεί στην εμφάνιση υψηλού πεδίου ταχυτήτων στον Πορθμό του Ευρίπου, με μέγιστες τιμές που προσεγγίζουν τα 2.5 m/s. Αυτού του είδους η προσομοίωση στην περιοχή μελέτης δεν έχει πραγματοποιηθεί στην βιβλιογραφία έως και σήμερα. Ειδικότερα, στην παρούσα διδακτορική διατριβή έγιναν τα εξής: Προσομοίωση του υπολογιστικού χώρου για χρονική διάρκεια ενός τυπικού έτους, με το υδροδυναμικό μοντέλο ELCOM και για μικρότερης, περιορισμένης χρονικής διάρκειας με το μοντέλο ποιότητας υδάτων CAEDYM με έλεγχο της αξιοπιστία τους. Έγινε βαθμονόμηση στο υδροδυναμικό μοντέλο ELCOM με βάση προβλέψεις τιμών αλατότητας και θερμοκρασίας και με βάση μετρημένες στο πεδίο ταχύτητες του νερού. Στο μοντέλο ποιότητας υδάτων CAEDYM, η βαθμονόμηση έγινε με βάση προβλέψεις τιμών συγκεντρώσεων του διαλυμένου οξυγόνου, της χλωροφύλλης-(α) και θρεπτικών αλάτων στην υδάτινη στήλη του Ευβοϊκού. Έγινε ανάλυση και αξιολόγηση των αποτελεσμάτων και διερευνήθηκε λεπτομερώς ο τρόπος που η παλίρροια αλλά και η ατμοσφαιρική φόρτιση και η βυθομετρία επηρεάζουν την υδροδυναμική κυκλοφορία καθώς και την ανάμιξη των υδάτινων μαζών. Τα αποτελέσματα της παρούσας προσομοίωσης για τη μέση αλατότητα και τη μέση θερμοκρασία συγκρίθηκαν με τις προβλέψεις του συστήματος COPERNICUS για όλους τους μήνες της ετήσιας προσομοίωσης, σε καθορισμένα σημεία και για διάφορα βάθη και κρίθηκαν ικανοποιητικές. Η εγκυρότητα των αποτελεσμάτων επιβεβαιώθηκε επιπρόσθετα και από την προβλεπόμενη μέγιστη ταχύτητα της ροής στο στενό του Ευρίπου, που προέκυψε ίση με την μετρηθείσα τιμή στο φυσικό πεδίο, ενώ διερευνήθηκε και το βάθος της επίδρασης της παλίρροιας. Από την ανάλυση προέκυψαν πεδία ταχυτήτων τόσο στην επιφάνεια όσο και σε διάφορα βάθη για κάθε χρονική στιγμή. Βρέθηκε, ότι η κατανομή της ταχύτητας κατά βάθος στον πορθμό του Ευρίπου είναι περίπου σταθερή. Διαπιστώθηκε, ότι η κατανομή της πυκνότητας του νερού με το βάθος επηρεάζεται κυρίως από την μεταβολή της θερμοκρασίας και λιγότερο από τη μεταβολή της αλατότητας. Σε διάφορες χρονικές στιγμές (κυρίως τους θερμότερους μήνες) ελέγχθηκε η δημιουργία στρωμάτωσης πυκνότητας σε σχέση με το βάθος, που δυνητικά εμποδίζει την κατακόρυφη ανάμιξη των θαλάσσιων μαζών και κατά συνέπεια την ανάμιξη των φυσικοχημικών παραμέτρων τους, όπως θρεπτικά άλατα και οξυγόνο. Ερευνήθηκε, η ανανέωση των νερών του Ευβοϊκού κόλπου με «καθαρό» νερό του ανοιχτού πελάγους μέσω του υπολογισμού της ηλικίας του νερού σε όλα τα υπολογιστικά κελιά. Εξετάσθηκε η ανανέωση των νερών τόσο στα επιφανειακά στρώματα, με την επίδραση της παλίρροιας και του ανέμου, όσο και στα βαθύτερα στρώματα, αλλά και στον πυθμένα. Διερευνήθηκε επίσης η χρονική εξέλιξη της της ανανέωσης των νερών στα επιφανειακά, τα ενδιάμεσα και τα πυθμενικά στρώματα. Προσομοιώθηκε επίσης η ανάμιξη, μεταφορά και η αραίωση ρύπων στην μακρινή περιοχή, μέσα στο σύνθετο υδροδυναμικό πεδίο που δημιουργείται από τις προαναφερθείσες φορτίσεις. Οι ρύποι αυτοί περιέχονται στα επεξεργασμένα αστικά απόβλητα έξι εγκατεστημένων υποθαλάσσιων αγωγών διάθεσης που λειτουργούν στην ευρύτερη περιοχή και οι οποίοι προσομοιώθηκαν. Διερευνήθηκε ακόμη η επίδραση της στρωμάτωσης πυκνότητας στον περιορισμό της κατακόρυφης ανάμιξης και στον εγκλωβισμό των ρύπων στα βαθύτερα στρώματα. Παράλληλα, εκτιμήθηκε η συνδυαστική επίδραση των εκροών υγρών αστικών αποβλήτων που διατίθενται από τους προαναφερθέντες αγωγούς, σε επιλεγείσες περιοχές υψηλής οικονομικής, τουριστικής και περιβαλλοντικής αξίας, στον Ευβοϊκό κόλπο. Η μελέτη και διερεύνηση της παλιρροιακής φόρτισης, καθώς και των λοιπών ατμοσφαιρικών παραμέτρων της περιοχής που Ευβοϊκού, στην εξέλιξη των υδροδυναμικών και βιοχημικών χαρακτηριστικών της, καθώς και στην δυναμική της μεταφοράς και διάχυσης των αστικών-βιομηχανικών λυμάτων που διατίθενται σ’ αυτήν, όπως πραγματοποιείται στην παρούσα διδακτορική διατριβή, συμβάλει ερευνητικά και επιστημονικά στα εξής: 1) Παρέχει μια λεπτομερή παρουσίαση και εκτίμηση των υδροδυναμικών και βιοχημικών χαρακτηριστικών της υδάτινης στήλης του Ευβοϊκού σε συγκεκριμένα σημεία αλλά και σε παράκτιες περιοχές. 2) Μέσω της χρήσης κατάλληλων υπολογιστικών δεικτών επιτυγχάνεται για πρώτη φορά η αποτίμηση της επίδρασης των αστικών αποβλήτων, που καταλήγουν στον Ευβοϊκό, στις παράκτιες περιοχές του, υπό τις επικρατούσες παλιρροιακές και μετεωρολογικές συνθήκες. 3) Προσδιορίζονται περιοχές, οι οποίες εξ' αιτίας της πιο αργής συγκριτικά με άλλες ανανέωσης των νερών τους, τείνουν να είναι πιο «ευάλωτες» στην ρύπανση, από τα αστικά λύματα, που διατίθενται στην ευρύτερη περιοχή του Ευβοϊκού, αλλά και από ρύπους διαφορετικής προέλευσης, που δεν εξετάζονται στην παρούσα διδακτορική διατριβή. 4) Αναδεικνύει την ανάγκη για συσχέτιση της παλιρροιακής επίδρασης στην μεταβολή της αραίωσης και διάχυσης των αστικών ρύπων, που διατίθενται στην ευρύτερη περιοχή του Ευβοϊκού, με την διαστασιολόγηση των εγκαταστάσεων επεξεργασίας λυμάτων, από τις οποίες αυτοί προέρχονται, με απώτερο σκοπό τη βελτιστοποίηση από την άποψη της οικονομίας της κατασκευής, των παραμέτρων σχεδιασμού, μελλοντικών νέων εγκαταστάσεων ή επεκτάσεων των ήδη υφισταμένων. 5) Επισημαίνεται επίσης η αναγκαιότητα για την πραγματοποίηση συστηματικών μετρήσεων της μεταβολής της στάθμης της ελεύθερης επιφάνειας της θάλασσας, στο βόρειο και νότιο σύνορο του Ευβοϊκού με την ανοιχτή θάλασσα του Αιγαίου. Ακόμη επισημαίνεται και η αναγκαιότητα για σύγχρονες και συστηματικές μετρήσεις, όσον αφορά τις φυσικοχημικές παραμέτρους και λοιπούς ρυπαντικούς παράγοντες στην συγκεκριμένη περιοχή, προκειμένου να αξιοποιηθούν τα στοιχεία αυτά σε μελλοντική προσομοίωση με παρόμοιου τύπου υπολογιστικά μοντέλα. Τέλος, από τα συνολικά αποτελέσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής, είναι εμφανές, ότι η αριθμητική μεθοδολογία διερεύνησης που προτείνεται, επικυρώνεται και αποτιμάται για την περίπτωση του Ευβοϊκού, μπορεί να αποτελέσει την βάση αλλά και ένα ολοκληρωμένο και αξιόπιστο εργαλείο έρευνας και για άλλα παρόμοια υδροδυναμικά συστήματα, τα οποία θα υπόκεινται σε διαφορετικές επιδράσεις, με εφαρμογή και σε άλλες περιοχές.