Προσομοίωση της υδροδυναμικής μεταφοράς και διάχυσης ρύπων από τον Εύξεινο Πόντο στο βόρειο Αιγαίο με τη χρήση υδροδυναμικών μοντέλων και μελέτη των επιπτώσεων που θα επιφέρει η μακροχρόνια συγκέντρωση των ρύπων αυτών στο περιβάλλον των παρακτίων περιοχών του βορείου Αιγαίου

Abstract

In the present PhD Thesis the numerical simulation and study of the hydrodynamic andbiochemical characteristics of the North Aegean and the dynamic transport dispersion andaccumulation of the Black Sea passive pollutants which outflow from the DardanellesStraits, is achieved with the use of the 3D hydrodynamic model ELCOM in conjunction withthe environmental model CAEDYM. The validation of the numerical models ELCOM and CAEDYM is achieved by comparing their numerical results with available laboratory measurements, field measurements available in the literature as well as with appropriate satellite images indicating their accuracy effectiveness. After their validation the proposed models are applied for the conduction of long term simulations for a total simulation time of 16 years in order to study in depth the dynamic characteristics of the Black Sea pollutants in the Ν. Aegean and investigating the regions of high pollutant concentration at their surface and bottom layers. Furthermore, an extended study of the hydrodynamic characteristics of the Dardanelles surface plume and the wider region of the Ν. Aegean was achieved, while a series of simulations including the numerical model CAEDYM were made for 6 years of simulation time, in order to study the influence of phytoplankton of suspended inorganic solids and of nutrients of nitrogen and phosphorous that outflow from the Dardanelles in the biogeochemical variations of the Ν. Aegean water column. From the overall results of the long term simulations of the Ν. Aegean it is concluded that an important quantity of the BSP (Black Sea Pollutant) that outflows in the Ν. Aegean, is diverted and accumulated at its coastal areas and more specific at the Thracian coastal area generating a high risk for its environmental deterioration within the next few decades. The mainland and island areas of the Ν. Aegean that show high BSP concentrations are the coastline situated between the area of Alexandroupolis and Kavala, the whole coastal area of Samothraki Island, the north and east part of Thasos Island and the north and east part of Limnos Island. The results from the coupling of the hydrodynamic model ELCOM with the environmental model CAEDYM indicate that high nutrient concentrations of phosphorous and nitrogen, which are accompanied by high chlorophyll-a concentrations are reached during May and October at the Thracian coastal area, the Thermaikos Gulf and the Pagasitikos Gulf due to the Coriolis force action and due to the strong surface currents that are developed in the region, attributing a seasonal eutrophic character. Finally from the overall results of the present PhD Thesis it is obvious that the numerical investigation methodology that is proposed validated and evaluated for the North Aegean Sea, can constitute an integrated and quite promising tool for other similar hydrodynamic systems.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή η αριθμητική προσομοίωση και η μελέτη των υδροδυναμικών και βιολογικών και χημικών χαρακτηριστικών του Β. Αιγαίου καθώς και της δυναμικής μεταφοράς διασποράς και συσσώρευσης των παθητικών ρύπων της Μαύρης Θάλασσας που εκρέουν από τα Στενά των Δαρδανελίων, πραγματοποιείται με την χρήση του τρισδιάστατου υδροδυναμικού μοντέλου ELCOM και του συνεργαζομένου περιβαλλοντικού μοντέλου CAEDYM. Ο έλεγχος αξιοπιστίας των αριθμητικών μοντέλων ELCOM και CAEDYM πραγματοποιήθηκε συγκρίνοντας τα αριθμητικά αποτελέσματα των μοντέλων με αντίστοιχα εργαστηριακά αποτελέσματα με αποτελέσματα μετρήσεων πεδίου που διατίθενται στην βιβλιογραφία και με αντίστοιχες δορυφορικές εικόνες, καταδεικνύοντας την ακρίβεια και την αποτελεσματικότητά τους. Μετά την επικύρωση των αριθμητικών μοντέλων που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα διατριβή πραγματοποιήθηκαν μακροχρόνιες προσομοιώσεις προκειμένου να μελετηθεί λεπτομερειακά η δυναμική των ρύπων της Μαύρης θάλασσας στο Β. Αιγαίο και να διερευνηθούν οι περιοχές οι οποίες παρουσιάζουν υψηλές συγκεντρώσεις των ρύπων αυτών στις επιφανειακές και πυθμενικές του στρώσεις. Επίσης, πραγματοποιήθηκε εκτεταμένη μελέτη των υδροδυναμικών χαρακτηριστικών του επιφανειακού πλουμίου των Δαρδανελίων και της ευρύτερης περιοχής του Β. Αιγαίου ενώ μια σειρά προσομοιώσεων εμπεριέχοντας και το αριθμητικό μοντέλο CAEDYM πραγματοποιήθηκε έτσι ώστε ναμελετηθεί η επίδραση του φυτοπλαγκτού των αιωρούμενων ανόργανων στερεών και των θρεπτικών συστατικών του αζώτου και φωσφόρου που εκρέουν από τα Δαρδανέλια, στην βιογεωχημική μεταβολή της υδάτινης στήλης του Β. Αιγαίου. Από τα αποτελέσματα των μακροχρονίων προσομοιώσεων που πραγματοποιήθηκαν για το Β. Αιγαίο συμπεραίνεται πως μια σημαντική ποσότητα του ΡΜΟ (Ρύπου της Μαύρης Θάλασσας) που εκρέει στο Β. Αιγαίο εκτρέπεται και συσσωρεύεται στις παράκτιες περιοχές του και ιδιαίτερα στα θρακικά παράλια με μεγάλο κίνδυνο μέσα στις επόμενες δεκαετίες την περιβαλλοντική τους υποβάθμιση. Οι παράκτιες περιοχές του Β. Αιγαίου οι οποίες δέχονται μεγάλες ποσότητες συγκέντρωσης ΡΜΟ είναι η ακτογραμμή που βρίσκεται ανάμεσα στην Αλεξανδρούπολη και την Καβάλα, όλη η παράκτια περιοχή της Σαμοθράκης, το βόρειο και ανατολικό τμήμα της Θάσου και το νότιο και ανατολικό τμήμα της Λήμνου. Τα αποτελέσματα που προέρχονται από την σύζευξη των δυο αριθμητικών μοντέλων ELCOM και CAEDYM καταδεικνύουν πως υψηλές συγκεντρώσεις θρεπτικών του φωσφόρου και αζώτου οι οποίες συνοδεύονται από υψηλές συγκεντρώσεις χλωροφύλλης-α εμφανίζονται κατά τους μήνες Μάιο και Οκτώβριο στις παράκτιες περιοχές του Θρακικού Πελάγους, στον Κόλπο του Θερμαϊκού και στον Παγασητικό Κόλπο, εξαιτίας των δράσεων της δύναμης Coriolis και των έντονων επιφανειακών ρευμάτων που αναπτύσσονται στην περιοχή, προσδίδοντάς τους έναν εποχιακό ευτροφικό χαρακτήρα. 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 Β. Αιγαίου μπορεί να αποτελέσει ένα ολοκληρωμένο και πολλά υποσχόμενο εργαλείο διερεύνησης και για άλλα παρόμοια υδροδυναμικά συστήματα.