Mathematical modeling of the flow field in fish-passes

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Υπολογιστική Μηχανική

Political cycles in Greece's municipal employment

We consider the politically motivated fluctuations in Greece’s municipal employment, constructing a data-set from primary data and focusing on the composition of municipal employment in terms of employment relationship forms. Our analysis produces strong evidence of pre-electoral manipulation through increases in the number of contract employees. Considering a number of control variables and robustness checks does not affect the key results. Such variables include whether mayors run for reelection, incumbents’ political alignment with central government, partisan shifts, general elections, mayors’ turnover rate, and timing patterns. Our evidence provides insights into Greece’s political economy in the run-up to the current economic crisis

A multidisciplinary critical review of ecosystem services studies in Greece: approaches, shortcomings and the pathway to implementation

During the last two decades, ecosystem services (ES) research is used to inform the various steps of decision- and policy- making process, regarding environmental management, spatial planning and natural capital accounting. In the EU, this vast and rapid publication boom was triggered by the enactment of Action 5 of the EU Biodiversity Strategy to 2020, urging Member States to implement Mapping and Assessment of Ecosystem and their Services (MAES); few countries pioneered, while others are still lagging behind. In Greece, the implementation of MAES started in 2014 and since then an impressive progress has been made, with Greece now being among the countries with the most rapid progress. However, there are still major knowledge and data gaps on ecosystem services in Greece; know-how on specific methods, tools and practices is still to be developed. This poses obstacles in integrative efforts to identify and/or interpret the various co-variates affecting ecosystems and their services in space and time and hinders the incorporation of the ES generated information into the decision-making process. Making the first steps towards overcoming these hurdles, the present study aims to (i) synthesize the ecosystem services literature relevant to the ES implementation in Greece, (ii) validate and classify each literature source to the relevant ecosystem services categories, (iii) identify shortcomings in terms of ES assessed and data available, and (iv) critically review the variety of approaches to ES assessments that are followed. The outcomes of this study will facilitate the efficient implementation of ecosystem services assessments in Greece

Proposing a Governance model for environmental crises

During August 2021, a wildfire outbreak in Evia, Greece's second largest island, resulted in a major environmental and economic crisis. Apart from biodiversity and habitat loss, the disaster triggered a financial crisis because it wiped out wood-productive forests and outdoor areas that attract visitors. This crisis highlighted the need for a new governance model in order to respond to environmental crises more effectively. The aim of this study was to investigate the acceptance and attitudes of relevant stakeholders towards establishing a Hub a proposed governance model responsible for monitoring and restoring the natural capital and biodiversity after environmental crises. Results based on quantitative data collected via questionnaires showed that most respondents were positive to the Hub and perceived that its main functions should be to recommend measures after environmental crises and to facilitate cooperation among involved stakeholders. Moreover, results pointed to preferred funding sources, stakeholder groups that should participate in the Hub and key performance indicators (KPIs) for monitoring Hub's performance. The applied methodology could guide the establishment of governance models both in the study area and other countries facing environmental crises

The Effect of Flood Protection Works on Flood Risk

We pose the following research question: “what is the effect of flood protection works on flood risk?” To answer this question, we developed a flood risk assessment method that combines the typical hazard assessment via integrated hydrological and hydrodynamic calculations using HEC-HMS and 1D/2D HEC-RAS, respectively, and an original procedure for vulnerability assessment at the building level, which we applied in the town of Mandra in Attica, Greece. We performed calculations for 15 scenarios—combinations of return periods (T = 20, 50, 100, 150, and 200 y) and rain durations (t = 6, 12, and 18 h)—for the conditions of the year 2017, when there were no flood protection works, and today with these works in place. We identified the regions with high flood risk and concluded that the presence of the works caused a decrease in the inundation areas by 53–89%, along with reductions in the maximum water depths, the maximum flow velocities, and the average flood risk in Koropouli Street—the main street of Mandra, which suffered severe damage during the 2017 flood—by 38–62%, 18–52%, and 27–74%, respectively. The effect of the flood protection works increased with the increases in the return period and rain duration, while for the same return period the effect of the rain duration was more pronounced for the smaller return periods

Identification, quantitative determination and seasonal changes of phenolic compounds between and within olive varieties and molecular identification: traceability of the products of olive

Since the dawn of Hellenic history, olive tree and its products are present as avital and essential socioeconomical element. The constant demand by the consumersnot only for improving the quality of olive tree products but also for ascertaining theirorigin, particularly if these products have been defined as products of specificgeographical origin (i.e. Kalamon Olives), has led to the necessity for identification ofthe different olive tree cultivars and traceability of their products. At the same time,olive products (olive oil and table olives) play a fundamental part to theMediterranean diet, a diet with high content of bioactive substances such as vitamins,flavonoids and polyphenols. It is well known that phenolic compounds areconstituents of many plants and they have attracted a great deal of public andscientific interest because of their health promoting effects as antioxidants.The purpose of the first part of this study was the identification of ten olivevarieties (“Koroneiki”, “Lianolia Kerkyras”, “Mastoidis”, “Arbequina”,“Adramytini”, “Megaritiki”, “Gaidourelia”, “Kalamon”, “Konservolia’ and“Chalkidiki’) and the study of intra - varietal variability of the four most commonvarieties in Greece (“Koroneiki”, “Kalamata”, “Konservolia” and “L. Kerkyras”)using SSR primers. Furthermore, molecular markers originating from two differentmolecular techniques, RAPD and SSR, were used for the identification andtraceability of the products of the ten varieties of olive using new season leaves, greenand black drupes. According to the results, SSR molecular markers, effectivelyseparated the varieties grouping according to the size of the fruit and their use. In theintra-varietal level, SSR markers, grouped the trees of each variety giving identicalallelic profiles. Identification of green and black drupes using RAPD and SSR primerswas performed for the first time for Greek varieties. The RAPD primers gave productswith similar patterns while the SSR primers gave identical allelic patterns betweenleaves and drupes of the same variety. Both methods can be used for identificationand traceability of the olive drupes, with SSR primers, being more reliable.In the second part of this study, the same ten olive varieties, were studied fortotal phenolic concentration, as well as for the antioxidant capacity of leaves and fruits ofdifferent seasons and years.Total phenolic concentration was expressed as milligrams of gallic acidequivalents (GAE) per gram of fresh tissue and the antioxidant activity was expressed through index IC50 (Inhibition Concentration, mg/l of extract) which indicates the extractconcentration required to reduce the initial DPPH concentration by 50%. Separation andidentification of phenolic compounds was carried out with an analytical HPLC system.According to the results, total phenolic concentration varied among varietiesand among different tissues.Different varieties showed different total phenolic concentration but similarphenolic profile. For both years, 2008 - 2009, most varieties had a higher totalphenolic concentration in young leaves than in green and black drupes. In the newleaves of April 2008, total phenolic concentration varied between 10,1 - 20,6 mg GAE/ g F.W. while in the green and black drupes ranged between 5,9 - 19,8 mg GAE / gF.W. and 5,4 - 9,9 mg GAE / g F.W. respectively. In the new leaves of April 2009,total phenolic concentration varied between 12,5 - 18,7 mg GAE / g F.W. and in thegreen and black drupes ranged between 4,1 - 13,9 mg GAE / g F.W. and 5,6 - 10,1 mgGAE / g F.W. respectively.New leaves of April 2009 had a higher total phenolic concentration (12,5 -18,7 mg GAE / g F.W.) than of September (10.6 and 15,3 mg GAE / g F.W.) andDecember (10.3 and 17,0 mg GAE / g F.W.). Comparing the two years (2008 – 2009),for most varieties, new leaves of April 2009 had a higher total phenolic concentrationthan the new leaves in April 2008 while green drupes, for most varieties, had a highertotal phenolic concentration in 2008 than in 2009. A positive correlation was foundbetween the concentration of total phenolics and antioxidant capacity.The phenolic profile was similar between varieties but the concentrations ofeach phenolic compound was different.The main phenolic compounds in the phenolic profile of leaves wereoleuropein, rutin, 7-O-glycoside of louteolin, 4-O-glycoside of louteolin and 7-Oglycosideof apigenin, while in green and black drupes the main phenolic substanceswere oleuropein, rutin, 7-O-glycoside of louteolin and verbascoside.Για πολλούς αιώνες η ιστορία της ελιάς και των προϊόντων της είναι άρρηκταδεμένη με την ιστορία της Ελλάδας. Τα προϊόντα της ελιάς, επιτραπέζιες ελιές καιελαιόλαδο, παίζουν σημαντικό κοινωνικοοικονομικό ρόλο στη χώρα μας. Η συνεχήςαπαίτηση του αγοραστικού κοινού τόσο για βελτίωση και διασφάλιση της ποιότηταςτων παραγόμενων προϊόντων της ελιάς όσο και για πιστοποίηση της προέλευσήςτους, ειδικά όταν πρόκειται για προϊόντα ονομασίας προέλευσης (π.χ ελιέςΚαλαμών), έχει οδηγήσει στην ανάγκη ταυτοποίησης των διαφόρων ποικιλιών καιιχνηλασίας των προϊόντων τους. Επίσης, τα προϊόντα της ελιάς, αποτελούναναπόσπαστο κομμάτι της Μεσογειακής δίαιτας, μιας δίαιτας με υψηλήπεριεκτικότητα σε βιοενεργές ουσίες όπως βιταμίνες, φλαβονοειδή και πολυφαινόλες.Είναι γνωστό ότι οι φαινολικές ενώσεις αποτελούν συστατικά πολλών φυτών καιέχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας καθώς προάγουντην υγεία των καταναλωτών κυρίως λόγω της αντιοξειδωτικής τους ικανότητας.Σκοπός του πρώτου μέρους της παρούσας εργασίας, ήταν ο διαχωρισμός δέκαποικιλιών («Κορωνέικη», «Λιανολιά Κερκύρας», «Μαστοειδής», «Arbequina»,«Αδραμυττινή», «Μεγαρείτικη», «Γαϊδουρελιά», «Καλαμών», «Κονσερβολιά»,«Χαλκιδικής») και η μελέτη της ενδο – ποικιλιακής παραλλακτικότητας τωντεσσάρων πιο διαδεδομένων στον Ελλαδικό χώρο ποικιλιών («Κορωνέικη»,«Καλαμών», «Κονσερβολιά» και «Λ. Κερκύρας») με την χρήση SSR εκκινητών.Επίσης μελετήθηκε η ταυτοποίηση και η ιχνηλασία των προϊόντων των δέκαποικιλιών ελιάς χρησιμοποιώντας νέα φύλλα, πράσινους και μαύρους καρπούς καιεφαρμόζοντας δύο διαφορετικές μοριακές μεθόδους, εκείνες των δεικτών RAPDs καιSSRs.Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, η εφαρμογή της μεθόδου των μοριακώνδεικτών SSR προκειμένου να διαχωριστούν οι δέκα προς μελέτη ποικιλίες κρίθηκεαποτελεσματική. Οι ποικιλίες διαχωρίστηκαν μεταξύ τους και ομαδοποιήθηκαν σεδύο ομάδες σύμφωνα με το μέγεθος του καρπού και την χρήση τους. Επίσης, οιεκκινητές SSR, ενδο-ποικιλιακά, ομαδοποίησαν τα ελαιόδεντρα της κάθε ποικιλίαςδίνοντας πανομοιότυπα αλληλόμορφα προφίλ. Τέλος στην παρούσα μελέτηεπιτεύχθηκε, για πρώτη φορά σε Ελληνικές ποικιλίες, η ταυτοποίηση πράσινων καιμαύρων καρπών με την χρήση RAPD και SSR εκκινητών. Οι RAPD εκκινητέςέδωσαν προϊόντα με παρόμοια πρότυπα ενώ οι SSR εκκινητές έδωσαν πανομοιότυπα πρότυπα αλληλομόρφων μεταξύ φύλλων και καρπών της ίδιας ποικιλίας. Και οι δύομέθοδοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην ταυτοποίηση και ιχνηλασία των καρπώντης ελιάς, αλλά οι δείκτες SSR, που έδωσαν πανομοιότυπα πρότυπα κρίνονται πιοαξιόπιστοι.Στο δεύτερο μέρος της παρούσας μελέτης, οι ίδιες δέκα ποικιλίες ελιάςμελετήθηκαν ως προς την συγκέντρωση των συνολικών φαινολικών καθώς επίσηςκαι ως προς την αντιοξειδωτική ικανότητα φύλλων και καρπών τους διαφορετικώνεποχών και ετών. Επίσης, πραγματοποιήθηκε ταυτοποίηση και ποσοτικόςπροσδιορισμός των φαινολικών ουσιών. Η συγκέντρωση των ολικών φαινολικώνεκφράστηκε σε mg ισοδύναμα γαλλικού οξέος (GAE) ανά gr νωπού φυτικού ιστούκαι η αντιοξειδωτική δράση εκφράστηκε σε ppm με τη μορφή του δείκτη IC50(Inhibition Concentration) ο οποίος δηλώνει τη συγκέντρωση εκείνη του δείγματοςπου απαιτείται για να μειωθεί η αρχική συγκέντρωση του διαλύματος DPPH κατά50%. Η ταυτοποίηση και η ποσοτικοποίηση των επιμέρους φαινολικών συστατικώνπραγματοποιήθηκε με τη χρήση συστήματος υγρής χρωματογραφίας υψηλήςαπόδοσης (HPLC).Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της παρούσας μελέτης η συγκέντρωση τωνσυνολικών φαινολικών διέφερε τόσο μεταξύ των ποικιλιών όσο και μεταξύ των ιστώνανά ποικιλία. Οι διαφορετικές ποικιλίες παρουσίασαν διαφορετική συγκέντρωσησυνολικών φαινολικών αλλά παρόμοιο φαινολικό προφίλ. Και για τις δύο χρονιές,2008 - 2009, οι περισσότερες ποικιλίες παρουσίασαν υψηλότερη συγκέντρωσησυνολικών φαινολικών στα νέα φύλλα από ότι στους πράσινους και μαύρουςκαρπούς. Στα νέα φύλλα Απριλίου του 2008 η συγκέντρωση συνολικών φαινολικώνκυμάνθηκε μεταξύ 10,1 - 20,6 mg GAE/g ν.φ.ι. ενώ στους πράσινους και μαύρουςκαρπούς του ιδίου έτους κυμάνθηκε μεταξύ 5,9 - 19,8 mg GAE/g ν.φ.ι. και 5,4 - 9,9mg GAE/g ν.φ.ι. αντίστοιχα. Στα νέα φύλλα Απριλίου του 2009 η συγκέντρωσησυνολικών φαινολικών κυμάνθηκε μεταξύ 12,5 - 18,7 mg GAE/g ν.φ.ι. ενώ στουςπράσινους και μαύρους καρπούς κυμάνθηκε μεταξύ 4,1 - 13,9 mg GAE/g ν.φ.ι. και5,6 - 10,1 mg GAE/g ν.φ.ι. αντίστοιχα. Τα νέα φύλλα Απριλίου του 2009παρουσίασαν υψηλότερη συγκέντρωση συνολικών φαινολικών (12,5 - 18,7 mgGAE/g ν.φ.ι.) από τα φύλλα Σεπτεμβρίου (10,6 και 15,3 mg GAE/g ν.φ.ι.) –Δεκεμβρίου (10,3 και 17,0 mg GAE/g ν.φ.ι.) του ιδίου έτους. Συγκρίνοντας τις δύοχρονιές, 2008 – 2009, για τις περισσότερες ποικιλίες, τα νέα φύλλα Απριλίου του2009 παρουσίασαν υψηλότερη συγκέντρωση συνολικών φαινολικών από τα νέαφύλλα Απριλίου του 2008 ενώ οι πράσινοι καρποί, για τις περισσότερες ποικιλίες,παρουσίασαν υψηλότερη συγκέντρωση συνολικών φαινολικών το 2008 από ότι το 2009. Βρέθηκε θετική συσχέτιση μεταξύ της συγκέντρωσης των συνολικώνφαινολικών και της αντιοξειδωτικής ικανότητας.Το φαινολικό προφίλ ήταν παρόμοιο μεταξύ των ποικιλιών διέφερε όμως ωςπρος τις συγκεντρώσεις της κάθε φαινολικής ουσίας.Oι κυριότερες φαινολικές ουσίες στα φύλλα ήταν η ελευρωπαΐνη, η ρουτίνη, ο7-Ο-γλυκοζίτης της λουτεολίνης, ο 4-Ο-γλυκοζίτης της λουτεολίνης και ο 7-Ο-γλυκοζίτης της απιγενίνης, ενώ στους πράσινους και στους μαύρους καρπούς ηελευρωπαΐνη, η ρουτίνη, ο 7-Ο-γλυκοζίτης της λουτεολίνης και ο βερμπασκοζίτης

Mathematical modelling of fish behavior in river areas with fish-passes

Water reservoirs are barriers to fish migration, making it difficult for fish to access their habitats and reproduction areas. This creates a major environmental problem, which is effectively addressed by the use of Fish Passes (FP), which allows fish to migrate upstream. An FP usually consists of a sloping channel with baffles, which divide the channel into sections - pools. The most common and most suitable for the species found in Greece are the Vertical-Slot Fish passes (VSF).Most existing practical design methods for VSFs use empirical equations and/or suggested values for the main dimensions of the tanks in order to dissipate the energy of the incoming jet, reduce its velocity and drive it smoothly to the next slot. These methods are usually based on measurements, mainly of flow velocities and turbulence kinetic energy dissipation obtained from experimental investigations in physical models. Often, this design approach is not successful, thus making it imperative to develop rational design methods. One such method is by using an Integrated Mathematical Model (IMM). An IMM consists of a hydrodynamic model and an ecological model. The hydrodynamic model, which calculates the flow field in the VSF, is usually a CFD (Computational Fluid Dynamics) model. The ecological model uses the characteristics of the flow field to calculate the behaviour-movement of the fish, seeking to minimise the energy consumed, i.e. following the low velocity and turbulence regions. CFD models allow optimizing the design of an VSF by performing modifications to the geometric characteristics of the pools. However, for the results of a CFD model to be considered reliable, they must be confirmed by experimental data. In most VSFs research papers, it is usually assumed that the flow is two-dimensional, so it is satisfactorily described in most of the tank, but not in the slot region, where the flow is three-dimensional. For the hydrodynamic simulation of rivers, mainly because of the very large size of the considered section, we use two-dimensional models that solve the Saint-Venant equations and give very good results in a short computational time. Fish behaviour simulation models (FBM) provide the necessary information on fish movement and behaviour in rivers or VSFs. In the FBM, the basic functions of fish are simulated, which, in response to hydrodynamic stimuli from the environment, such as flow velocities and acceleration differences, make the decision to perform specific movements. The area within which a fish perceives the hydrodynamic stimulus is defined by 5 location points around the perimeter of the fish and is called the sensory ovoid. In general, three modes of fish swimming can be distinguished (1) continuous, (2) prolonged and (3) burst. These modes are associated with their respective movements which are (a) active swimming in the direction of the flow, (b) passive swimming and entrainment by the flow, (c) avoidance and changing angle with respect to the flow, and (d) escape and swimming against the flow. The most important FBM available in the literature is the ELAM model. ELAM is a model of the Individual Based Model (IBM) format that simulates fish as independent units, considering differences between them, such as size. It combines the Particle Tracking method with the minimum energy movement principle, i.e. the fish prefers low velocity and turbulent regions with small flow changes. This PhD thesis poses the main research question which is: "How do we rationally design an VSF with an IMM so that it is effective? "To answer the aforementioned research question the following 5 sub-research questions must be addressed: (1) How can we describe with a mathematical model the movement of fish in a VSF? (2) How can we describe with a mathematical model the movement of fish in a river in the area, where a VSF is located? (3) How do we design a VSF so that it allows the safe movement of fish? (4) How do we place a VSFs entrance near a dam to attract fish?(5)Which turbulence model best simulates the flow field in a VSF? The original point of this dissertation, which answers the research questions posed, is the development of an IMM to rationally design a VSF to be effective. The IMM consists of two sub-models (a) an IMM for rivers and (b) an IMM for VSFs. Each IMM shall consist of a hydrodynamic model and a FBM. The hydrodynamic model used in rivers is TELEMAC-2D and the model used in VSFs is FLOW-3D. The FBM for both rivers and VSFs were structured as part of this thesis. The IMM was calibrated and validated with experimental data from the international literature and 2 applications followed. The first application was aimed at the geometric optimization of VSF. A hydrodynamic simulation of the flow in VSF for different geometric characteristics was performed. The simulation results were combined with fish and macroinvertebrate habitat suitability indices and finally the VSF with those geometric characteristics that create conditions suitable for most of the species considered was selected. The second application was the design of a VSF for an irrigation dam with a variable reservoir water level. In this application, the Fish-Pass Tower (FPT) was proposed. The FPT tower consists of 14 rows of VSFs and a total of 99 pools, which have a side opening through which reservoir water enters the VSF. The holes are regulated by sluice gates and their role is to allow water to enter the VSF depending on the reservoir level. The following conclusions can be drawn from the calculations of the OMM in rivers.1.The hydrodynamic model can satisfactorily simulate the flow field in a river using the Standard k - epsilon (SKE) turbulence model as proposed in the literature. The Root Mean Square Error (RMSE) correlation index of the flow velocities calculated by the model with respect to the measured ones ranges from 0.03 to 0.054, with an optimum value of zero, while the Index of Agreement (IA) ranges from 0.96 to 0.99, with an optimum value of one.2.The FBM can estimate with reasonable accuracy the percentage of fish that will follow a straight or circular trajectory. More importantly, however, it can estimate the percentage of fish that will exit the model from a given exit. This can be generalized by considering the model output to be the input of a VSF. Given that the hydrodynamic model can be easily modified to simulate different fish attraction currents from a VSF (different outlet flows), then we can use the fish behaviour model to determine under which conditions the largest proportion will move towards the VSF entrance. 3.Accurate simulation of an experimental trajectory is not entirely feasible, because the model introduces randomness in the calculation of its variables, which alter the simulated trajectories. However, if a sufficient number of fish are simulated, from an experimental starting position, most of the calculated trajectories will follow the direction of the measured trajectory. 4. IMM can be used as a tool to draw useful conclusions about habitat suitability by utilizing the experimental data and the calculated flow field. The following conclusions can be drawn from the IMM calculations in VSFs. 1. The flow field in a VSF is quite complex. Often, a three-dimensional CFD model is necessary to calculate the flow field, especially to accurately describe the flow in the regions of the slot. 2. The RNG KE turbulence model and the Volume of Fluid (VOF) method can give accurate results for determining the free surface of the flow with relatively low computational cost. 3. The 3D model calculations showed (1) good agreement with experiments and 2D calculations of the calculated mean flow velocities (RMSE = 0.01 -0. 03), (2) better performance in determining the flow surface in the VSF, which is attributed to the VOF method, and (3) better calculation of turbulence characteristics than the 2D models, which is due to the RNG KE turbulence model (which overcomes the problem of overestimation of turbulence in the SKE model) and the fact that the 3D model takes into account the 3D characteristics of the flow in the VSF. 4.The 3D hydrodynamic calculations have shown that the usual assumptions in VSFs, that (a) the flow is 2D and (b) the simulation of 3-5 tanks is sufficient to achieve satisfactory results, are not always valid, and the above assumptions need to be checked depending on the internal structure and the number of pools of the VSF. 5. The fish behaviour model can estimate with reasonable accuracy the proportion of fish that will follow a particular path upstream of the VSF. The FBM cannot simulate the resting time of fish within the VSF, but it does indicate that if fish do not pass directly from the downstream to the upstream pool, then the time of "aimless" movement within the tank will be in some area, which is considered a resting area. The main research question posed in this thesis was addressed by the following five sub-research questions, which are briefly answered. 1. How can we describe with a mathematical model the movement of fish in a VSF? Often it may be necessary to use a three-dimensional mathematical model and in certain cases a two-dimensional model may be sufficient. By using the mathematical model, it is possible to accurately determine depths and flow velocities and to calculate turbulence characteristics with a reasonably good accuracy. These are the flow characteristics that influence the movement of fish within the VSF. Therefore, by correctly calculating them and considering that fish receive these hydrodynamic stimuli and follow the rules of (a) low energy consumption and (b) turbulence avoidance, we can describe the movement of fish within the VSF. The mathematical model must also consider habitat suitability indices, so that an initial geometric optimization of the FP can be made in terms of its use by more species. 2. How can we describe with a mathematical model the movement of fish in a river in the area, where a VSF is located? Rivers are more complex than VSFs in terms of describing the FBM, whereas the case is different for the hydrodynamic model. It is important to emphasize the greater complexity of the FBM in rivers because fish are already acclimatized to the hydrodynamic characteristics of rivers. Therefore, it is important to have observations for the design fish so that the model can obtain appropriate values for its parameters.3.How do we design a VSF so that it allows the safe movement of fish? To properly design a VSF that allows for the safe movement of fish, we must use a mathematical model to (1) create a flow field appropriate of the fish of interest, (2) provide low velocity resting areas to reduce the required upstream energy in a VSF, and (3) avoid flow depths less than the minimum acceptable depth for fish. 4.How do we place a VSFs entrance near a dam to attract fish? Optimal placement of a VSF is achieved by the following steps: (1) finding the habitat suitability index of the river for the species of interest to place the VSF in an appropriate location; (2) optimizing the VSF using ecological criteria; (3) applying the IMM to the river area including the optimized VSF and (4) optimizing the hydrodynamic characteristics of the VSF inlet and outlet to maximize the proportion of fish moving toward the VSF. This answer is in good agreement with most of the literature.5.Which turbulence model best simulates the flow field in a VSF? The calculation of turbulence characteristics affects the flow field and fish-pass calculations. Thus, this calculation needs to be as accurate as possible, but at the same time effective in terms of computational cost, especially in 3D models. The use of the RNG KE model can achieve satisfactory accuracy with a relatively short computational time for the cases of flow in a VSF. Simpler models (Mixing Length, SKE, Constant viscosity) cannot predict the flow field satisfactorily, while more complex models (Large Eddy Simulation) greatly increase the computational time and complexity of the results.Τα φράγματα - ταμιευτήρες νερού αποτελούν εμπόδια για τη μετανάστευση των ιχθύων δυσχεραίνοντας την πρόσβασή τους στα ενδιαιτήματα και στις περιοχές αναπαραγωγής τους. Δημιουργείται έτσι ένα σημαντικό περιβαλλοντικό πρόβλημα, το οποίο αντιμετωπίζεται αποτελεσματικά με τη χρήση Διόδου Ιχθύων (ΔΙ), που επιτρέπουν τη μετακίνηση των ιχθύων προς τα ανάντη. Μια ΔΙ αποτελείται συνήθως από έναν επικλινή ανοικτό αγωγό με κατάλληλες διατάξεις, όπως π.χ. υπερχειλιστές ή τοιχία, με τις οποίες χωρίζεται ο αγωγός σε τμήματα - δεξαμενές. Οι πιο συνηθισμένες διατάξεις ΔΙ και πλέον κατάλληλες για τις ελληνικές συνθήκες είναι οι ΔΙ με κάθετα ανοίγματα (ΔΙΚΑ).Οι περισσότερες υφιστάμενες πρακτικές μέθοδοι σχεδιασμού για ΔΙ χρησιμοποιούν εμπειρικές εξισώσεις ή/και προτεινόμενες τιμές για τις κύριες διαστάσεις των δεξαμενών με στόχο να αποσβεστεί η ενέργεια της εισερχόμενης φλέβας, να μειωθεί η ταχύτητα της και να οδηγηθεί ομαλά στο επόμενο άνοιγμα. Αυτές οι πληροφορίες βασίζονται συνήθως σε μετρήσεις, κυρίως ταχυτήτων ροής και απόσβεσης κινητικής ενέργειας τύρβης που λαμβάνονται από πειραματικές έρευνες σε φυσικά μοντέλα. Πολλές φορές, ο τρόπος αυτός σχεδιασμού δεν είναι επιτυχής με αποτέλεσμα να είναι επιτακτική η ανάγκη ανάπτυξης ορθολογικών μεθόδων σχεδιασμού. Μια τέτοια μέθοδος είναι με τη χρήση ενός Ολοκληρωμένου Μαθηματικού Μοντέλου (ΟΜΜ). Ένα ΟΜΜ αποτελείται από ένα υδροδυναμικό μοντέλο και ένα οικολογικό. Το υδροδυναμικό μοντέλο, που υπολογίζει το πεδίο ροής στη ΔΙ, είναι συνήθως μοντέλο CFD (Computational Fluid Dynamics). Το οικολογικό μοντέλο χρησιμοποιεί τα χαρακτηριστικά του πεδίου ροής για να υπολογίσει τη συμπεριφορά-κίνηση των ιχθύων, επιδιώκοντας την ελαχιστοποίηση της καταναλισκόμενης ενέργειας, δηλαδή ακολουθώντας τις περιοχές χαμηλής ταχύτητας και τύρβης.Τα μοντέλα CFD επιτρέπουν τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού μιας ΔΙ μέσω της εκτέλεσης τροποποιήσεων στα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των δεξαμενών. Ωστόσο, για να θεωρηθούν αξιόπιστα τα αποτελέσματα ενός μοντέλου CFD, πρέπει να επιβεβαιώνονται με πειραματικά δεδομένα. Στις περισσότερες ερευνητικές εργασίες για ΔΙ, συνήθως θεωρείται ότι η ροή είναι δισδιάστατη, οπότε περιγράφεται ικανοποιητικά στο μεγαλύτερο τμήμα της δεξαμενής, αλλά όχι στην περιοχή της φλέβας εισροής, όπου η ροή είναι τρισδιάστατη. Για την υδροδυναμική προσομοίωση των ποταμών, εξαιτίας κυρίως του πολύ μεγάλου μεγέθους του εξεταζόμενου τμήματος, χρησιμοποιούμε δισδιάστατα μοντέλα που επιλύουν τις εξισώσεις Saint-Venant και δίνουν πολύ καλά αποτελέσματα σε μικρό υπολογιστικό χρόνο.Τα μοντέλα προσομοίωσης της συμπεριφοράς των ιχθύων (ΜΣΙ) παρέχουν τις απαραίτητες πληροφορίες κίνησης και συμπεριφοράς των ιχθύων σε ποταμούς ή ΔΙ. Στο ΜΣΙ προσομοιώνονται οι βασικές λειτουργίες των ιχθύων, οι οποίοι δεχόμενοι υδροδυναμικά ερεθίσματα από το περιβάλλον, όπως οι ταχύτητες ροής και οι διαφορές επιταχύνσεων, λαμβάνουν την απόφαση να πραγματοποιήσουν συγκεκριμένες κινήσεις. Η περιοχή εντός της οποίας ένας ιχθύς αντιλαμβάνεται το υδροδυναμικό ερέθισμα προσδιορίζεται από 5 θέσεις περιμετρικά του ιχθύ και ονομάζεται περιοχή αντίληψης (Sensory Ovoid). Γενικά, διακρίνονται τρείς τρόποι κολύμβησης ιχθύων (1) η συνεχής, (2) η παρατεταμένη και (3) η εκρηκτική. Οι τρόποι αυτοί συνδέονται με τις αντίστοιχες κινήσεις τους που είναι (α) ενεργή κολύμβηση στην κατεύθυνση της ροής, (β) παθητική κολύμβηση και συμπαράσυρση από τη ροή, (γ) αποφυγή και μεταβολή γωνίας σε σχέση με την ροή και (δ) διαφυγή και κολύμβηση αντίθετα στη ροή. Το σημαντικότερο ΜΣΙ που υπάρχει στη διεθνή βιβλιογραφία είναι το μοντέλο ELAM. Το ELAM είναι ένα μοντέλο της μορφής Individual Based Model (IBM) που προσομοιώνει τους ιχθύες ως ανεξάρτητες μονάδες, λαμβάνοντας υπόψη τις μεταξύ τους διαφορές, όπως π.χ. το μέγεθος. Συνδυάζει τη μέθοδο Particle Tracking με την αρχή κίνησης της ελάχιστης ενέργειας, δηλαδή ο ιχθύς προτιμά τις περιοχές χαμηλής ταχύτητας και τύρβης με μικρές μεταβολές της ροής. Η παρούσα Διδακτορική διατριβή θέτει το κύριο ερευνητικό ερώτημα που είναι: «Πώς σχεδιάζουμε ορθολογικά με ένα ΟΜΜ μια ΔΙ, ώστε αυτή να είναι αποτελεσματική;»Το ερώτημα αυτό αναλύεται στα ακόλουθα 5 επιμέρους ερευνητικά ερωτήματα: (1)Πώς μπορούμε να περιγράψουμε με ένα μαθηματικό μοντέλο την κίνηση των ιχθύων σε μια ΔΙ; (2) Πώς μπορούμε να περιγράψουμε με ένα μαθηματικό μοντέλο την κίνηση των ιχθύων σε ένα ποταμό στην περιοχή μιας ΔΙ; (3) Πώς σχεδιάζουμε μια ΔΙ, ώστε αυτή να επιτρέπει την ασφαλή κίνηση των ιχθύων; (4) Πώς τοποθετούμε μια ΔΙ στην περιοχή ενός φράγματος, ώστε να ελκύει τους ιχθύες; (5) Ποιο μοντέλο τύρβης προσομοιώνει καλύτερα το πεδίο ροής σε μια ΔΙ; Το πρωτότυπο σημείο της παρούσας διδακτορικής διατριβής που δίνει απάντηση και στα ερευνητικά ερωτήματα που τέθηκαν, είναι η ανάπτυξη ενός ΟΜΜ, με το οποίο σχεδιάζεται ορθολογικά μια ΔΙ, ώστε αυτή να είναι αποτελεσματική. Το ΟΜΜ αποτελείται από δυο υπομοντέλα (α) ένα ΟΜΜ για ποταμούς και ένα ΟΜΜ για ΔΙ. Κάθε ΟΜΜ αποτελείται από ένα υδροδυναμικό μοντέλο και ένα ΜΣΙ. Το υδροδυναμικό μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε σε ποταμούς είναι το TELEMAC-2D και το μοντέλο σε ΔΙ είναι το FLOW-3D. Τα ΜΣΙ για ποταμούς και ΔΙ δομήθηκαν στα πλαίσια της παρούσας. Το ΟΜΜ βαθμονομήθηκε και επιβεβαιώθηκε με πειραματικά δεδομένα από τη διεθνή βιβλιογραφία και ακολούθησαν 2 εφαρμογές. Η πρώτη εφαρμογή είχε στόχο τη γεωμετρική βελτιστοποίηση της ΔΙΚΑ. Έγινε υδροδυναμική προσομοίωση της ροής σε ΔΙΚΑ για διάφορα γεωμετρικά χαρακτηριστικά. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης συνδυάστηκαν με δείκτες καταλληλόλητας ενδιαιτήματος ιχθύων και μακροασπόνδυλων και τελικά επιλέχθηκε η ΔΙΚΑ με εκείνα τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά, που δημιουργούν συνθήκες κατάλληλες για την πλειονότητα των εξεταζόμενων ειδών. Η δεύτερη εφαρμογή ήταν ο σχεδιασμός μιας ΔΙ για χωμάτινο αρδευτικό φράγμα μεγάλου ύψους και μεταβαλλόμενης στάθμης ταμιευτήρα. Στην εφαρμογή αυτή προτάθηκε ο πύργος ΔΙ. Ο πύργος ΔΙ αποτελείται από 14 σειρές ΔΙ καθ’ ύψος και συνολικά 99 δεξαμενές, που έχουν μια πλευρική οπή, από τη οποία εισέρχεται νερό του ταμιευτήρα στη ΔΙ. Οι οπές ρυθμίζονται με θυροφράγματα και ο ρόλος τους είναι να επιτρέπουν την είσοδο νερού στη ΔΙ ανάλογα με τη στάθμη του ταμιευτήρα. Από τους υπολογισμούς του ΟΜΜ σε ποταμούς εξάγονται τα ακόλουθα συμπεράσματα. 1. Το υδροδυναμικό μοντέλο μπορεί να προσομοιώσει ικανοποιητικά το πεδίο ροής σε ένα ποταμό με τη χρήση του μοντέλου τύρβης Standard k – epsilon (SKE), όπως προτείνεται από τη βιβλιογραφία. Ο δείκτης συσχέτισης Root Mean Square Error (RMSE) των ταχυτήτων ροής που υπολογίζονται από το μοντέλο σε σχέση με τις μετρούμενες κυμαίνεται από 0.03 μέχρι 0.054, με βέλτιστη τιμή το μηδέν, ενώ ο δείκτης Index of Agreement (ΙΑ) από 0.96 μέχρι 0.99, με βέλτιστη τιμή τη μονάδα. 2. Το μοντέλο συμπεριφοράς ιχθύων μπορεί να υπολογίσει με ικανοποιητική ακρίβεια το ποσοστό των ιχθύων που θα ακολουθήσουν ευθεία ή κυκλική τροχιά. Όμως, το πιο σημαντικό είναι ότι μπορεί να υπολογίσει το ποσοστό των ιχθύων που θα εξέλθουν από το μοντέλο από μια συγκεκριμένη έξοδο. Αυτό μπορεί να γενικευθεί θεωρώντας έξοδο του μοντέλου την είσοδο μιας ΔΙ. Με δεδομένο ότι το υδροδυναμικό μοντέλο μπορεί εύκολα να τροποποιηθεί ώστε να προσομοιωθούν διαφορετικά ρεύματα προσέλκυσης ιχθύων από μια ΔΙ (διαφορετικές παροχές εξόδου), τότε μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το μοντέλο συμπεριφοράς ιχθύων για να εξακριβώσουμε υπό ποιες συνθήκες το μεγαλύτερο ποσοστό θα κινηθεί προς τη ΔΙ. 3. Η ακριβής προσομοίωση μιας πειραματικής τροχιάς δεν είναι απόλυτα εφικτή, γιατί το μοντέλο εισάγει τυχαιότητα στον υπολογισμό των μεταβλητών του, που είναι ικανές να διαφοροποιούν τις προσομοιωμένες τροχιές. Ωστόσο, αν προσομοιωθεί ικανός αριθμός ιχθύων, από μια πειραματική θέση εκκίνησης, το μεγαλύτερο ποσοστό από τις τροχιές που υπολογίζονται θα ακολουθεί τη διεύθυνση της μετρούμενης τροχιάς. 4. Το ΟΜΜ μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εργαλείο για να εξαχθούν χρήσιμα συμπεράσματα για την καταλληλότητα ενδιαιτήματος αξιοποιώντας τα πειραματικά δεδομένα και το υπολογιζόμενο πεδίο ροής. Από τους υπολογισμούς του ΟΜΜ σε ΔΙ εξάγονται τα παρακάτω συμπεράσματα. 1. Το πεδίο ροής σε μια ΔΙ είναι αρκετά πολύπλοκο. Συχνά, είναι απαραίτητο ένα τρισδιάστατο μοντέλο CFD για τον υπολογισμό του πεδίου ροής, ιδιαίτερα για την ακριβή περιγραφή της ροής στις περιοχές των κάθετων ανοιγμάτων. 2. Το μοντέλο τύρβης RNG KE και η μέθοδος Volume of Fluid (VOF) μπορούν να δώσουν ακριβή αποτελέσματα για τον προσδιορισμό της επιφάνειας της ροής σε μικρό σχετικά υπολογιστικό χρόνο. 3. Οι υπολογισμοί του τρισδιάστατου μοντέλου έδειξαν (1) καλή συμφωνία με τα πειράματα και τους δισδιάστατους υπολογισμούς των υπολογιζόμενων μέσων ταχυτήτων ροής (RMSE = 0.01 -0.03), (2) καλύτερη απόδοση στον προσδιορισμό της επιφάνειας ροής στη ΔΙ, η οποία αποδίδεται στην μέθοδο VOF και (3) καλύτερος υπολογισμός των χαρακτηριστικών της τύρβης από τα δισδιάστατα μοντέλα, η οποία οφείλεται στο μοντέλο τύρβης RNG KE (που ξεπερνά το πρόβλημα της υπερεκτίμησης της τύρβης του μοντέλου SKE) και στο γεγονός ότι το τρισδιάστατο μοντέλο λαμβάνει υπόψη τα τρισδιάστατα χαρακτηριστικά της ροής στη ΔΙ. 4. Οι τρισδιάστατοι υδροδυναμικοί υπολογισμοί έδειξαν ότι οι συνήθεις παραδοχές στις ΔΙ, ότι (α) η ροή είναι δισδιάστατη και (β) η προσομοίωση 3-5 δεξαμενών είναι επαρκής για την επίτευξη ικανοποιητικών αποτελεσμάτων, δεν ισχύουν πάντα, και πρέπει οι παραπάνω παραδοχές να ελέγχονται ανάλογα με την εσωτερική διάταξη και με τον αριθμό των δεξαμενών της ΔΙ. 5. Το μοντέλο συμπεριφοράς ιχθύων μπορεί να υπολογίσει με ικανοποιητική ακρίβεια το ποσοστό των ιχθύων που θα ακολουθήσουν μια συγκεκριμένη πορεία προς τα ανάντη της ΔΙ. 6. Το μοντέλο συμπεριφοράς ιχθύων δεν μπορεί να προσομοιώσει το χρόνο ανάπαυσης των ιχθύων εντός της ΔΙ κάθετου ανοίγματος, όμως δείχνει ότι αν οι ιχθύες δεν περάσουν απευθε