Optimization of a groyne system

147 σ.Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) "Επιστήμη και Τεχνολογία Υδατικών Πόρων"Σκοπός της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας είναι η βελτιστοποίηση της διάταξης ενός συστήματος προβόλων, ώστε να περιορίζεται η διάβρωση που προκαλείται στην παρακείμενη ακτή εξαιτίας της επίδρασης των κατασκευών αυτών στο ισοζύγιο των φερτών υλών στην παράκτια ζώνη. Μελετάται η επίδραση ενός συστήματος προβόλων μεταβλητού μήκους στη μορφολογία της ακτογραμμής, για διάφορα κυματικά σενάρια και ακτές με διαφορετική κλίση πυθμένα και διάμετρο κόκκων ιζήματος. Αρχικά γίνεται μια περιγραφή της παράκτιας ζώνης και των διεργασιών που συμβαίνουν σε αυτή. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη μεταφορά των ιζημάτων στην παράκτια ζώνη και τον υπολογισμό των δύο συνιστωσών της –της παράλληλης και της εγκάρσιας προς την ακτή. Επίσης, αναφέρονται συνοπτικά τα έργα προστασίας της ακτής από διάβρωση, ενώ περιγράφονται εκτενώς η λειτουργία και οι βασικές παράμετροι σχεδιασμού ενός συστήματος προβόλων. Οι πρόβολοι λειτουργούν ως εμπόδια στην παράκτια στερεομεταφορά, συγκρατώντας σημαντικές ποσότητες ιζήματος ανάντη και προκαλώντας έτσι διάβρωση στα κατάντη. Η σταδιακή μείωση του μήκους των προβόλων προς τα κατάντη είναι ένα από τα μέτρα που προτείνονται για την ομαλή μετάβαση από το σύστημα των προβόλων στην παρακείμενη ακτή και τον περιορισμό της κατάντη διάβρωσης. Για την μελέτη ενός μη συμβατικού συστήματος προβόλων και την εκτίμηση της ποσότητας του ιζήματος που περνά κατάντη αυτού γίνεται υπολογισμός της στερεομεταφοράς από τις αναλυτικές σχέσεις της βιβλιογραφίας και χρησιμοποιούνται διαγράμματα κατανομής της παράλληλης προς την ακτή συνιστώσας της. Στη συνέχεια εφαρμόζονται τρία αριθμητικά μοντέλα -κυματικό (PMS), υδροδυναμικό (HD) και στερεομεταφοράς (ST)- του εμπορικού υπολογιστικού πακέτου MIKE21 του Danish Hydraulic Institute (DHI) για σύγκριση των αποτελεσμάτων με αυτά των αναλυτικών σχέσεων. Επιπλέον, από τα αποτελέσματα των αναλύσεων του MIKE21 παράγονται διαγράμματα τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για σύγκριση των διαφορετικών διατάξεων προβόλων καθώς και επιλογή της βέλτιστης διάταξης. Από τα αποτελέσματα του MIKE21 προκύπτει ότι βέλτιστη διάταξη ενός συστήματος προβόλων είναι αυτή στην οποία το μήκος των προβόλων μειώνεται προς τα κατάντη κατά μήκος μιας ευθείας που ενώνει τις κεφαλές των προβόλων και σχηματίζει με την ακτή γωνία φ=6ο περίπου. Στα περισσότερα σενάρια που εξετάστηκαν για τη συγκεκριμένη τιμή της γωνίας φ το ποσοστό της κατά μήκος της ακτής στερεομεταφοράς που διαφεύγει κατάντη του συστήματος λαμβάνει τη μέγιστη τιμή. Τέλος, προτείνεται μια μεθοδολογία για το σχεδιασμό ενός συστήματος προβόλων με βελτιστοποιημένη διάταξη ώστε να μη διαταράσσεται η ισορροπία της παρακείμενης ακτής και να περιορίζεται στο ελάχιστο η κατάντη διάβρωση.The aim of this research is the optimization of a groyne system so as to prevent the erosion of the adjacent beach, as well as the investigation of how a groyne field affects coast’s morphology and its impacts on the regime of sediment transport. Firstly, coastal zone and the physical processes which take place in it (currents, sediment transport) are described. Furthermore, shore protection projects are described, focusing on groyne fields, their function and basic design rules. Groynes work by blocking (part of) the littoral drift, whereby they trap sand on their updrift side causing erosion on the adjacent beach. To allow more bypassing and limit downdrift erosion groyne lengths are gradually shortened. Analytical equations and figures of sediment transport are used in order to estimate the percentage of transport rate which by-passes around groynes’ tips. Moreover, the computational program MIKE21 of Danish Hydraulic Institute (DHI) is used for the simulation of wave propagation, current flow and sediment transport and comparison of the results is made with analytical equations, as well. The results from different scenarios are presented in figures “by-passing-percentage (j) – angle (φ) – spacing to length ratio (R)” which can be used for the selection of the most optimum system. In most cases the optimum value of the angle φ (a line converging to the shoreline from the tips of groynes making with the natural shoreline) is about 6o. For this value, which is also proposed by ASCE (1994), the maximum amount of sediment by-passing in the adjacent beach is reached. To conclude, a methodology for the design of a system of shortening groynes is described in detail.Φραγκίσκα-Καρμέλα Α. Γα

Assessment of Wave Storm-Induced Flood Vulnerability in Rhodes Island, Greece

Coastal areas are threatened by extreme meteorological phenomena, such as wave storms. Therefore, the analysis of such events, such as providing information for their potential hazards assessment, is a key element in coastal management. In this study, a preliminary assessment of flood vulnerability due to storms was performed in Rhodes Island, Greece. Firstly, storm events were defined in terms of significant wave height, peak period, and duration, and they were grouped by means of cluster analysis into five classes (from weak to extreme) reflecting the intensity of each event. Subsequently, flood hazard was assessed by using an empirical formula for wave run-up calculations on cross-shore profiles and storm surge data at the region. Finally, a Flood Vulnerability Index (FVI) was used for assessing vulnerability according to a scale from very low to very high. The most intense storms were found to occur in the eastern, southeastern, and southern part of the island. More than 60% of storms were classified as weak, while extreme events were found to occur with a frequency of less than 2.5%. Regarding flood hazard and vulnerability, the maximum values of wave run-up were calculated in the southeastern region, but the most vulnerable part was found to be the northwestern region, as the FVI was assessed as very high for weak and extreme events

Long-Term Shoreline Displacements and Coastal Morphodynamic Pattern of North Rhodes Island, Greece

Shoreline evolution and seabed morphology changes depend on coastal geomorphology as well as hydrodynamics of the nearshore region. Τhis study investigates the morphological evolution of the northernmost headland of Rhodes Island, Greece, using a method that combines historical shoreline evolution analysis and numerical modelling of coastal processes. The satellite and aerial imagery analysis under a GIS platform reveals that, since 1982, the overall surface area of the backshore has slightly increased, though in shorter period times, large variations have been identified. The part of the beach that is most prone to extreme changes is the spit-like formation at the tip of the headland. Wind-generated waves and induced currents are the main forcing factors that affect the shape and orientation of the spit-like beach. This spit-like morphology changes seasonally due to variations in the dominant wave regime. West sector waves cause sediment deposition at the eastern sector of the spit-like formation, whereas strong southeast wave events during the winter favor accretion at the west sector, inducing an asymmetrical shape. Thus, the analysis results indicate an annual balance in sediment transport

The Role of Sea State to the Morphological Changes of Prasonisi Tombolo, Rhodes Island, Greece

Wave-induced morphodynamic processes that cause formation, preservation, and destruction of the Prasonisi tombolo in Rhodes Island are investigated, based on satellite image analysis and numerical modeling. A new method is developed for extracting wave events that consist of successive wave data of similar characteristics. The wave events refer either to wind seas or swell seas. This process combined with the satellite image analysis is then utilized for the derivation of the most representative wave scenarios that affect tombolo and salient formation. In particular, the main factors that play a significant role in tombolo and salient evolution are the offshore wave conditions, the location and width of the surf zone, the maximum value of the wave breaking index in the study area, and the initial bottom bathymetry before the study area is exposed to a new sea state. In general, the proposed method provides a realistic insight into tombolo morphodynamics and can be used to provide a cost-effective approach and a wave data-reduction technique for coastal engineering studies

Assessment of the Coastal Vulnerability to the Ongoing Sea Level Rise for the Exquisite Rhodes Island (SE Aegean Sea, Greece)

The foreseeable acceleration of global sea level rise could potentially pose a major threat to the natural charm and functional integrity of the world-renowned tourist coastal attractions of Rhodes Island, as a result of the anticipated increasing frequency of flooding and erosion events. Hence, this study aims to determine the most vulnerable segments (in terms of physical impact) of the Rhodes coastline through the widely accepted coastal vulnerability index (CVI), applying a combination of well-known, broadly used approaches and methods. The frequency distribution of the current CVI along the island’s coastline suggests a rather worrying high to very high vulnerability of 40%. In addition, a CVI projection to the end of the 21st century (based on the Intergovernmental Panel on Climate Change predictive scenarios) indicates an enhancement of the total vulnerability by 48%, mainly focused on the majority of the western coastline. Hence, a considerable number of popular coastal destinations in the island shall remain under unignorable threat and, therefore, coastal managers and decision-makers need to hatch an integrated plan to minimize economic and natural losses, private property damage and tourism infrastructure deterioration from flooding and erosion episodes, which will most likely be intensified in the future