Ο σχεδιασμός ενός λιμένα αποσκοπεί πρώτιστα στην παροχή κατάλληλων συνθηκών για των ελλιμενισμό των εξυπηρετούμενων πλοίων. Κάθε πλοίο για να επιτελέσει τη λειτουργία του, απαιτεί ελάχιστες συνθήκες ηρεμίας που ποικίλουν ανάλογα με το μέγεθος και το τύπο του (Ε/Γ-Ο/Γ, κρουαζιερόπλοιο, φορτηγό, αλιευτικό, αναψυχής κ.α.).  Σε κεντρικούς λιμένες, η συνύπαρξη πολλαπλών χρήσεων είναι αναπόφευκτη, με αποτέλεσμα η ικανοποίηση των απαιτούμενων συνθηκών ελλιμενισμού να γίνεται πολυπαραμετρικό πρόβλημα.

Η αριθμητική προσομοίωση της κυματικής διαταραχής αποτελεί το εργαλείο στα χέρια ενός μηχανικού για το σχεδιασμό της διάταξης των εξωτερικών έργων και τη χωροθέτηση των χρήσεων ενός λιμένα. Ωστόσο, η ερμηνεία και αξιοποίηση των αποτελεσμάτων του προσομοίωματος για τη βελτιστοποίηση της διάταξης αποτελεί μια πρόκληση. Τα πρωτογενή δεδομένα, εκ πρώτης όψεως, προσφέρουν μια ποιοτική ανάλυση και από μόνα τους δεν είναι ικανά να οδηγήσουν σε ασφαλή συμπεράσματα.

Από την εμπειρία που έχουμε αποκτήσει κατά την εκπόνηση μελετών κυματισκής διαταραχής, η πλέον ενδεδειγμένη λύση είναι η στατιστική επεξεργασία των πρωτογενών χαρακτηριστικών της κυματικής διαταραχής και η εξαγωγή δεικτών που είναι ευκολότερο να αφομοιωθούν. Στο παρόν άρθρο γίνεται ενδεικτική παρουσίαση των τεχνικών που εφαρμόζουμε γενικά κατά την εκπόνηση μιας μελέτης κυματικής διαταραχής, δίνοντας έμφαση στο στάδιο της αξιολόγησης των αποτελεσμάτων αυτής.

Στην παρούσα διμοσίευση χρησιμοποιούνται αποτελέσματα από τη Μελέτη Κυματικής Διαταραχής του λιμένα Πηγαδιών Καρπάθου.

Διαβάστε περισσότερα για τη μελέτη

Εξεταζόμενες κυματικές περιπτώσεις

H επιλογή των κατάλληλων συνθηκών κυματισμού που θα υλοποιηθούν στο μαθηματικό προσομοίωμα είναι ιδιαίτερα σημαντικό βήμα καθώς αυτές επηρεάζουν άμεσα τα αποτελέσματα των υπολογισμών, και ως εκ τούτου τις σχεδιαστικές παραμέτρους των έργων.

Πηγή κλιματικών δεδομένων

Τα κυματικά και τα ανεμολογικά δεδομένα προέρχονται από το προγνωστικό μοντέλο WAMC4 και Skiron/Eta[1] από τη θέση 946_192 με γεωγραφικό πλάτος και μήκος 35.50ο, 27.25ο. Το σημείο απέχει από τη θέση των έργων 3,3 χιλιόμετρα. Η διάρκεια των δεδομένων καλύπτει χρονικά την περίοδο από 1-1-1996 έως και τη 31-12-2015.

Ατμοσφαιρικό μοντέλο SKIRON/Eta model

Ο πυρήνας του προγνωστικού μοντέλου κυματισμού WAM είναι το ατμοσφαιρικό μοντέλο SKIRON/Eta. Τo μοντέλο είναι παραμετροποιημένο κατά τέτοιον τρόπο έτσι ώστε να λαμβάνει υπόψη του το έντονο τοπογραφικό ανάγλυφο που χαρακτηρίζει την Ελληνική επικράτεια με την εισαγωγή συστήματος κάθετων συντεταγμένων (ETA vertical coordinate system). Χρησιμοποιεί εξισώσεις βασισμένες στην υδροστατική προσέγγιση (hydrostatic approximation), κατά την επίλυση των οποίων διατηρείται η μάζα, η ενέργεια και η ενστροφία, αναπαράγοντας με μεγάλη ακρίβεια τις πραγματικές ατμοσφαιρικές συνθήκες.

Τα αποτελέσματα του ατμοσφαιρικού μοντέλου έχουν ωριαία ανάλυση και περιλαμβάνουν τις καρτεσιανές συνιστώσες του ανέμου, την πυκνότητα του αέρα, την ατμοσφαιρική πίεση, την θερμοκρασία και την ειδική υγρασία για τις ατμοσφαιρικές στάθμες των 10, 40, 80, 120 και 180 μέτρων από την επιφάνεια της θάλασσας.

Μοντέλο πρόγνωσης κυματισμών WAM (CYCLE 4)

Η πρόγνωση των κυματικών συνθηκών υλοποιείται με τη χρήση του μοντέλου WAM CYCLE 4, όπως αυτό έχει παραμετροποιηθεί από το ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts). Το μοντέλο διαθέτει τη δυνατότητα επίλυσης των εξισώσεων μετάδοσης κυματικής ενέργειας, χωρίς περιορισμούς στην μορφή του φασματικού κυματικού πεδίου, διατηρώντας παράλληλα  εσωτερικά την ενέργεια  του συστήματος και επιτρέποντας τη μη-γραμμική αλληλεπίδραση των κυματισμών. Θεωρείται δε το πιο διαδεδομένο και το πλέον επιβεβαιωμένο προγνωστικό πρόγραμμα προσομοίωσης κυματισμού.

Το μοντέλο υπολογίζει σε στατιστικούς όρους και σε ωριαία βάση το ύψος, τη μέση κατεύθυνση και τη συχνότητα του σημαντικού ύψους κύματος (Ηm0) ανεμογεννών κυματισμών και του κυματισμού αποθαλασσιάς. Τα αποτελέσματα του μοντέλου επιβεβαιώνονται με τη χρήση δορυφορικών παρατηρήσεων (Satellite LIDAR) καθώς και από θαλάσσιους σταθμούς καταγραφής κυματισμών (Δίκτυο μέτρησης Ποσειδών).

Ανεμολογικό και κυματικό κλίμα

Από τα γραφήματα που ακολουθούν, στα δύο πρώτα παρουσιάζονται εποπτικά τα μέσα ετήσια ροδογράμματα ανέμων και κυματισμών ενώ στα επόμενα δύο παρουσιάζονται οι κυματικές συνθήκες της περιόδου από Μάιο έως και Σεπτέμβριο «θερινή» περίοδος και αυτής από Οκτώβριο έως Απρίλιο «χειμερινή» περίοδος.

Συνήθως (και στην προκειμένη περίπτωση, όπως γίνεται αντιληπτό από τα εποχιακά ροδογράμματα), το κυματικό κλίμα παρουσιάζει έντονη διακύμανση μεταξύ της χειμερινής και θερινής περιόδου με αποτέλεσμα τα ετήσια κυματικά γεγονότα να μην αντιπροσωπεύουν τις συνθήκες της θερινής περιόδου. Για το λόγο αυτό, οι εξεταζόμενες κυματικές περιπτώσεις υπολογίστηκαν αφενός για το σύνολο του έτους και αφετέρου μόνο για την ‘θερινή περίοδο’ (Μάιο έως και Σεπτέμβριο).

Σε λιμένες που δεν είναι εφικτό να επιτευχθούν οι ιδανικές συνθήκες καθόλη τη διάρκεια του έτους, τότε αξιολογείτα:

  • Τους θερινούς μήνες, όταν ο λιμένας λειτουργεί στη μέγιστη χωρητικότητα, η παροχή του μέγιστου δυνατού ποσοστού λειτουργικών κρηπιδωμάτων.
  • Τους χειμερινούς μήνες, όταν ο λιμένας έχει μικρό φόρτο, η διατήρηση ενός ελαχίστου ποσοστού λειτουργικών κρηπιδωμάτων για την παροχή καταφυγίου στην κακοκαιρία.
Ανάλυση Ακραίων Τιμών

Η πλέον ενδεδειγμένη προσέγγιση είναι η στατιστική επεξεργασία των κλιματικών δεδομένων για την πρόβλεψη των κυματικών γεγονότων που θα παρουσιάζονται μία φορά κάθε συγκεκριμένη χρονική περίοδο. Η στατιστική μέθοδος που εφαρμόστηκε είναι η ανάλυση ακραίων τιμών (Extreme Value Analysis) και πιο συγκεκριμένα, η μέθοδος POT (Peak Over Threshold). Από το διάγραμμα που προκύπτει από την ανάλυση επιλέχτηκαν για τις ανάγκες της μελέτης οι τιμές του ύψους κύματος που αντιστοιχούν σε περιόδους επαναφοράς 1 και 5 ετών.

Ανάλυση ακραίων τιμών
Προσομοιόματα που χρησιμοποιήθηκαν

Για τον έλεγχο της κυματικής διείσδυσης και διαταραχής στον υπόψη έργο χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό πακέτο μαθηματικών μοντέλων TMS (Telemac-Mascaret System). Από το σύνολο των μαθηματικών μοντέλων TMS έγινε χρήση του φασματικού κυματικού μοντέλου TOMAWAC για την προσομοίωση της μετάδοσης των κυματικών συνθηκών από τον κόμβο του ευρύτερου μοντέλου WAMC4 έως τη θέση των έργων και του μοντέλου ARTEMIS που βασίζεται στην επίλυση των «ελλειπτικών εξισώσεων ήπιας κλίσης», για την εκτίμηση της κυματικής διαταραχής κατά μήκος των έργων.

Εφαρμογή

Η συνολική προσομοίωση εκτελείται από δύο επί μέρους προσομοιώματα, το υπεράκτιο και το προσομοίωμα κυματικής διαταραχής. Το πρώτο εκτείνεται από τη θέση λήψεις υπεράκτιων κυματικών συνθηκών (κόμβος του ευρύτερου κυματικού μοντέλου WAM), έως την ακτή και ο ρόλος του είναι ο καθορισμός οριακών συνθηκών κυματισμών στο προσομοίωμα κυματικής διαταραχής.



 

  • Υπεράκτιο προσομοίωμα: Εκτείνεται 5,1χλμ κατά τον άξονα Β-Ν και 4,6χλμ εγκάρσια. Καταλαμβάνει έκταση περίπου 17,1χλμ2 και αποτελείται από 177.000 στοιχεία και 90.000 κόμβους
  • Προσομοίωμα κυματικής διαταραχής: Εκτείνεται 1300μ κατά τον άξονα Δ-Α και 800μ εγκάρσια. Καλύπτει μια έκταση περίπου 645στρεμ και αποτελείται από περίπου 445.000 στοιχεία και 224.000 κόμβους

Συνολικά εξετάστηκαν 20 κυματικές περιπτώσεις που αντιστοιχούν σε 100 προσομοιώσεις, οι οποίες αναλύονται σε:

  • 20 προσομοιώσεις TOMAWAC, για τη μεταφορά των κυματικών συνθηκών από τον κόμβο του ευρύτερου μοντέλου WAMC4 έως τη θέση του έργου,
  • 80 προσομοιώσεις ARTEMIS, για τον υπολογισμό της κυματικής διαταραχής, από 20 για κάθε κυματική κατάσταση, 4 διατάξεις έργων (Υφιστάμενη κατάσταση, Λύσεις 1, 2 και 3).

Αποτελέσματα

Η αποτελεσματικότητα της κάθε εναλλακτικής διάταξης αξιολογείται τόσο ποιοτικά όσο και ποσοτικά. Η ποιοτική αξιολόγηση της κυματικής διαταραχής γίνεται με γραφική εποπτεία των αποτελεσμάτων και η ποσοτκή με μαθηματική ανάλυση αυτών. Παρουσιάζονται δύο τύπων γραφημάτων, απόλυτης και διαφορικής διαταραχής. Τα γραφήματα διαφορικής διαταραχής προκύπτουν με την αλγεβρική αφαίρεση της διαταραχής της εξεταζόμενης λύσης από τη διαταραχή της λύσης αναφοράς.

Για την περεταίρω ανάλυση και αντικειμενική σύγκριση των αποτελεσμάτων, περιμετρικά των τμημάτων ενδιαφέροντος κάθε διάταξης, έχουν οριστεί εκτάσεις μέσα στις οποίες υπολογίζονται οι ακόλουθες παράμετροι:

  • Ενεργό (Ηm0(rms)) και μέγιστο ύψος κύματος (Hm0(max)) για την απόλυτη διαταραχή και
  • Ενεργό (Ηm0(rms),), μέγιστο (Hm0(max)) και ελάχιστο ύψος κύματος (Hm0(min)) για τη διαφορική διαταραχή
Διαγράμματα απόλυτης κυματικής διαταραχής

Στα διαγράμματα απόλυτης κυματικής διαταραχής παρουσιάζονται τα αποτελέσματα κάθε διάταξης για κάθε κυματική περίπτωση, όπως αυτά υπολογίστηκαν από το προσομοίωμα.

Διαγράμματα διαφορικής κυματικής διαταραχής

Τα διαγράμματα διαφορικής διαταραχής, προκύπτουν από την αλγεβρική αφαίρεση της κυματικής διαταραχής δύο λύσεων που συγκρίνονται μεταξύ τους. Η διαταραχή της "Διάταξης αναφοράς" αφαιρείται από τη διαταραχή της εξεταζόμενης λύσης. Αυτό σημαίνει ότι όπου η προκύπτουσα διαφορική κυματική διαταραχή είναι θετική (κόκκινη διαβάθμιση) τότε η εξεταζόμενη διάταξη προκαλεί μεγαλύτερη διαταραχή από τη λύση αναφοράς. Αντίθετα, όπου η προκύπτουσα διαφορική κυματική διαταραχή είναι αρνητική (μπλε διαβάθμιση) τότε η εξεταζόμενη διάταξη προκαλεί μικρότερη διαταραχή από τη λύση αναφοράς.

Με αυτό τον τρόπο εντοπίζονται εύκολα οι θέσεις αλλά και το μέτρο όπου η κάθε διάταξη πλεονεκτεί/μειονεκτεί έναντι της "Διάταξης αναφοράς". Παρακάτω ενδεικτικά παρουσιάζεται:

  1. Η διαφορική κυματική διαταραχή ως προς την υφιστάμενη κατάσταση.
  2. Η διαφορική κυματική διαταραχή των δύο εναλλακτικών Λύσεων (Λύσεις 2 και 3) ως προς την αρχική (Λύση 1)

 

Ποσοτική αξιολόγηση

Η βαθμολογία υπολογίζεται με ένα μοντέλο αξιολόγησης όπου λαμβάνονται υπόψη οι ακόλουθοι παράμετροι κυματικής διαταραχής για κάθε ζώνη:

  1. Ο ενεργός κυματισμός (Hm0(rms)),
  2. Ο μέγιστος κυματισμός (Hm0(max)),
  3. Ο υπερβαίνων ύψος κυματισμού από προκαθορισμένα επιτρεπτά όρια (Hm0(exc)),
  4. Το ποσοστό της έκτασης της ζώνης που υπερβαίνει την επιτρεπτή διαταραχή όπως ορίζεται στη μελέτη (PAexc).
Βαθμολογία και χαρακτηριστικά κυματικής διαταραχής ανά περίοδο και χρήση

Στον παραπάνω πίνακα συνοψίζονται οι παράμετροι που υπολογίστηκαν (μέσες τιμές από όλες τις κυματικές περιπτώσεις ανά εποχή) για κάθε όριο που επισημαίνεται στα γραφήματα της κυματικής διαταραχής, καθώς και η επιμέρους βαθμολογία που αποσπά. Έτσι, η αποτελεσματικότητα κάθε λύσης μπορεί να αξιολογηθεί συστηματικά, τόσο επιμέρους για κάθε παράμετρο, όσο και συνολικά, βάσει της συνολικής βαθμολογίας.

Φυσικά, η μεθοδολογία αξιολόγησης και οι επιμέρους συντελεστές βαρύτητας που επηρρεάζουν τη συνολική βαθμολογία, προσαρμόζονται ανάλογα με τις ιδιαίτερες συνθήκες και προτεραιότητες χρήσεων του κάθε λιμένα.

Παραπομπές

[1] Kallos, G., 1997: The Regional weather forecasting system SKIRON. Proceedings of the Symposium on Regional Weather Prediction on Parallel Computer Environments, 15-17 October 1997, Athens, Greece. Pp 9.