Τρισδιάστατη προσομοίωση ανεμογενών υδατορευμάτων στην λίμνη Κάρλα

Abstract

Αντικείμενο της μεταπτυχιακής διπλωματικής μου εργασίας αποτελεί η τρισδιάστατη προσομοίωση ανεμογενών υδατορευμάτων στην λίμνη Κάρλα. Η ορθολογική διαχείριση της λίμνης Κάρλας απαιτεί την ανάπτυξη προχωρημένων μοντέλων όπου η υπολογιστική ρευστομηχανική μπορεί να συνεισφέρει σημαντικά, ιδίως σε ότι αφορά μοντέλα μεταφοράς μάζας και φερτών υλών. Στην παρούσα εργασία εξετάζουμε σενάρια τρισδιάστατης ροής στη λίμνη Κάρλα. Η ανάλυση δείχνει τις δυνατότητες της μεθόδου στο σύγχρονο σχεδίασμα υδραυλικών έργων και αποτελεί το πρώτο στάδιο ανάπτυξης μοντέλων όπου μαζί με το υδροδυναμικό πρόβλημα επιλύεται και το πρόβλημα μεταφοράς μάζας στον ταμιευτήρα. Η φυσική λεκάνη της λίμνης Κάρλα ανήκει γεωγραφικά στην ανατολική Θεσσαλική πεδιάδα. Συγκεκριμένα καταλαμβάνει την Ν.Α. απόληξη της πεδιάδας της Λάρισας και εισέρχεται στο Ν. Μαγνησίας. Η περιοχή παρουσιάζει μορφή κλειστής επιμήκους λεκάνης με διάταξη από Β.Δ. προς Ν.Α. μήκους 35 χιλιομέτρων περίπου και πλάτους 9-14 χιλιομέτρων. Το εμβαδόν που καταλάμβανε η λίμνη ήταν μεταβλητό, κυμαινόμενο μεταξύ ευρέων ορίων, ανάλογα με τις διακυμάνσεις στάθμης που καθορίζονταν από τις εισροές και τις αντίστοιχες εκροές υδάτων. Συγκεκριμένα η έκταση της λίμνης κυμαινόταν από 180.000 στρέμματα (μέγιστο) μέχρι 41.000 στρέμματα (ελάχιστο). Η λίμνη της Κάρλας πριν την αποξήρανσή της ήταν ένας από τους πέντε σπουδαιότερους υγροβιότοπους της Ελλάδας και από την αλιεία ζούσαν περίπου 1000 οικογένειες (Τσερδάνη Αικ., κ.ά. 2009). Οι βασικές επιπτώσεις της αποξήρανσή είναι η ελάττωση του υδάτινου δυναμικού και η μείωση του υδροφόρου ορίζοντα με αποτέλεσμα η στάθμη του να πέσει περίπου 200m τα τελευταία χρόνια. Αυτό είχε σαν αποτέλεσμα το θαλάσσιο μέτωπο να εισχωρήσει στον υδροφορέα πέραν της περιοχής του Παγασητικού κόλπου. Η αποξήρανση της Κάρλας έγινε εν μέρει με στόχο την αύξηση της καλλιεργήσιμης γης η οποία οδήγησε σε χρήση μεγαλύτερων ποσοτήτων λιπασμάτων και γεωργικών φαρμάκων, αύξησε την ποσότητα των ρύπων και επηρέασε αρνητικά την οικολογική ισορροπία της περιοχής με αποτέλεσμα την καταστροφή της χλωρίδας της περιοχής (Τσερδάνη Αικ., κ.ά. 2009). Για την περιβαλλοντική αποκατάσταση της περιοχής έχει κατασκευαστεί ταμιευτήρας έκτασης 38km . Η υπολογιστική ρευστομηχανική μας δίνει ένα διαφορετικό ερευνητικό εργαλείο που μας βοηθά στην λεπτομερή μελέτη της ροής σε λίμνες με κατανεμημένα μοντέλα. Ο προσδιορισμός του πεδίου ταχυτήτων των λιμνών επιτρέπει την επέκταση των προσομοιώσεων για τον υπολογισμό διαφόρων συστατικών που διαχέονται μέσα στις λίμνες. Για παράδειγμα οι Hedger et al. (1999) εξέτασαν τις σχέσεις μεταξύ της κατανομής της συγκέντρωσης φυτοπλαγκτόν και των περιβαλλοντικών συνθηκών που επικρατούν σε μια λίμνη. Οι Olsen et al. (1999) χρησιμοποίησαν ένα τρισδιάστατο αριθμητικό μοντέλο για τον υπολογισμό της συγκέντρωσης άλγης από την κίνηση του ανέμου με την βοήθεια δύο μοντέλων τύρβης, τύπου k-ε και k-ω. Στην παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία μελετάται η τρισδιάστατη προσομοίωση της τυρβώδους ροής ύδατος της λίμνης Κάρλας, (η σύγκριση των αποτελεσμάτων με πειραματικά αποτελέσματα, και με αριθμητικά αποτελέσματα βασισμένα στο μοντέλο k-ε), υπό την επίδραση της θερμοκρασίας, των φωσφορικών, του αζώτου, της άλγης, του φωτός και των κυανοβακτηριδίων. Επίσης πραγματοποιείται η προσομοίωση για τον υπολογισμό της θερμοκρασίας του ύδατος και της πιθανής διάχυσης διαφόρων συστατικών που σχετίζονται με την ποιότητα του νερού των λιμνών. Η ποιότητα του νερού έχει καθοριστική επίδραση στη λειτουργία του λιμναίου οικοσυστήματος και κάθε επιβάρυνσή του με ύλη, ενέργεια ή μικροοργανισμούς οδηγεί στην υποβάθμιση του. Αναπτύσσεται λοιπόν το θεωρητικό υπόβαθρο με τις εξισώσεις που διέπουν τους υπολογισμούς της ποιότητας του νερού όσον αφορά τη διάχυση της θερμοκρασίας, των εισερχόμενων νιτρικών και φωσφορικών (προερχόμενα πχ. Από γεωργικά φάρμακα και λιπάσματα), την ανάπτυξη της άλγης, με λεπτομέρειες για το πως οι διάφορες παράμετροι εισάγονται στο πρόγραμμα OpenFoam (το πρόγραμμα OpenFoam χρησιμοποιήθηκε για το σύνολο των προσομοιώσεων). Αρχικά καταστρώθηκε το πρόβλημα και εισήχθησαν τα δεδομένα (πλέγμα , αρχικές συνθήκες και οι κατάλληλες εξισώσεις ώστε να έχουμε αργότερα σωστά αποτελέσματα). Η επεξεργασία των αποτελεσμάτων πραγματοποιήθηκε με το πρόγραμμα ParaView, έτσι μας δόθηκε η δυνατότητα να αξιολογήσουμε τα αποτελέσματα και στη συνέχεια να τα συγκρίνουμε με τα πειραματικά και τα υπολογιστικά αποτελέσματα. Τέλος καταγράφονται συγκεντρωτικά τα συμπεράσματα, σχόλια και παρατηρήσεις που αφορούν το σύνολο των αποτελεσμάτων. Η όλη πραγματοποιηθείσα ανάλυση φανερώνει τις δυνατότητες των αριθμητικών μοντέλων στον προσδιορισμό και την πρόβλεψη σημαντικών μεγεθών που μπορούν έμμεσα να χρησιμοποιηθούν για τον σχεδιασμό σύγχρονων υδραυλικών έργων.