Simulation of the hydrodynamic transport and diffusion of pollutants form from the black sea into the north Aegean sea with the use of hydrodynamic models and study of the effect of their long term accumulation to the environment of the north Aegean coastal area

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

Overflow Discharges and Flooding Areas from Flood Hydrographs Routing in Arda River, Greece

Flooding is a natural disaster that damages infrastructure, properties, and may even cause loss of life. Major floods occur in the Arda river basin, which is shared between Greece and Bulgaria in Southeastern Europe. A flood warning system can sufficiently minimize adverse effects by helping to create a more successful and well-organized response plan. This paper presents an extensive numerical simulation of flood hydrograph routing between levees of the downstream section of the Arda river for floods with return periods from 2 to 10,000 years, using the one-dimensional software HEC-RAS. The main objective is to calculate the inundation areas, travel times of flood waves, water depths, water levels, flow velocities, and overflow volumes by simulating the hydraulic behavior of the Arda river outside its mountain watershed, where it flows through agricultural plane land with very mild slope. The great importance of the water level at the confluence of the Arda and Evros rivers (downstream boundary condition) has been pointed out for the regions near the confluence because the flow is the subcritical type. A significant finding of this work is the determination of the upper limit of the peak discharge hydrograph entering from the Arda to the Evros river to prevent the flooding of the Evros river. This finding is very important for the management of the flood flows of the Evros river, which is a major river with a complicated river system

Numerical investigation of continuous, high density turbidity currents response, in the variation of fundamental flow controlling parameters

During floods, the density of river water usually increases due to the increase in the concentration of the suspended sediment that the river carries, causing the river to plunge underneath the free surface of a receiving water basin and form a turbidity current that continues to flow along the bottom. The study and understanding of such complex and rare phenomena is of great importance, as they constitute one of the major mechanisms for suspended sediment transport from rivers into the ocean, lakes or reservoirs. In the present paper a previously tested and verified numerical model[1]is applied in laboratory scale numerical experiments of continuous, high density turbidity currents. The turbidity currents are produced by the steady discharge of fresh water – suspended sediment mixtures, into an inclined channel which is connected at its downstream end to a wide horizontal tank. Both, channel and tank are initially filled with fresh water. This configuration serves as a simplified experimental analog of natural, hyperpycnal turbidity currents that are formed at river outflows in the sea, lakes or reservoirs and usually travel within subaqueous canyon-fan complexes. The main aim is to investigate the exact qualitative and quantitative effect of fundamental, flow controlling parameters in the hydrodynamic and depositional characteristics of continuous, high density turbidity currents. According to the authors’ best knowledge, the present paper constitutes the first attempt in the literature, where the isolated effects of each individual controlling parameter as well as their relative importance on the hydrodynamic characteristics of continuous, high-density turbidity currents are quantitatively evaluated in detail. The numerical model used, is based on a multiphase modification of the Reynolds Averaged Navier–Stokes equations (RANS). For turbulence closure the Renormalization-group (RNG) k–ε model is applied, which is an enhanced version of the widely used standard k–ε model