• Save
Metode numerice de prognoza modificari morfologice plaje
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×
 

Metode numerice de prognoza modificari morfologice plaje

on

  • 1,349 views

Metode numerice de prognoza a modificarilor morfologice ale plajelor litorale

Metode numerice de prognoza a modificarilor morfologice ale plajelor litorale

Statistics

Views

Total Views
1,349
Views on SlideShare
1,346
Embed Views
3

Actions

Likes
0
Downloads
0
Comments
0

1 Embed 3

http://www.linkedin.com 3

Accessibility

Upload Details

Uploaded via as Microsoft PowerPoint

Usage Rights

© All Rights Reserved

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Processing…
Post Comment
Edit your comment
  • Notes

Metode numerice de prognoza modificari morfologice plaje Metode numerice de prognoza modificari morfologice plaje Presentation Transcript

  • METODE NUMERICE DE PROGNOZĂ A MODIFICĂRILOR MORFOLOGICE LOCALE ALE PLAJELOR PRODUSE DE CĂTRE LUCRĂRILE COSTIERE Adrian Sîmbotin Institutul National de Cercetare-Dezvoltare pentru Protectia Mediului - ICIM Bucuresti 3 martie 2006
    • Fig. 2.1. Evoluţia litoralului românesc în perioada 1962 – 2002
    Evoluţia litoralului românesc în perioada 1962 – 2002 Evoluţia morfologică a litoralului românesc al Mării Negre Fenomene de eroziune a plajelor - cauze şi efecte
  • Ac t iunea factorilor antropici asupra componentelor ecosistemului litoral
  • Acţiunea valurilor asupra plajelor litorale
    • Analizând alura reală a variaţiei vitezelor de fund în regim de valuri, în raport cu valorile vitezei critice de antrenare pentru cele două sensuri de curgere (spre mal şi spre larg), pentru fracţiuni de sedimente de mărimi diferite, se pot observa următoarele:
    • fracţiunea mare este pusă în mişcare doar de vitezele maxime pozitive, executând cu
    • fiecare creastă de val un pas spre mal;
    • fracţiunea mică este antrenată un interval mai scurt de timp spre mal şi apoi un interval
    • mai lung spre larg, rezultanta mişcării fiind spre larg;
    • există o fracţiune a sedimentelor a căror mărime este de aşa natură încât deplasările în
    • ambele sensuri sunt sensibil egale, granulele menţinându-se în medie în aceeaşi poziţie.
    Mişcarea transversală sezonieră a sedimentelor de formare a plajei
  • Acţiunea combinată a valurilor şi curenţilor Transportul sedimentar pe direcţia x (analog şi pe direcţia y) poate fi în principiu descris de ecuaţia: Sx : transportul sedimentar pe direcţia x (kg/s/ml); t0 : perioada de integrare, suficient de mare în raport cu perioada valului; h : adâncimea apei; vx(z,t) : viteza curentului ca funcţie de adâncime şi timp; c(z,t) : concentraţia sedimentelor ca funcţie de adâncime şi timp; z : ordonata verticală, z = 0 corespunzând fundului marin; t : timpul. Variaţiile în timp ale concentraţiei şi vitezei sunt, de regulă, mai greu de obţinut , folosindu-se valori mediate în timp: Transportul sedimentar în sistem cartezian de coordonate
    • Lucrări de protecţie şi refacere a plajelor
    • Principalele tipuri de lucrări de protecţie fixe:
    • lucrări de consolidare a malurilor (apărări de maluri);
    • lucrări de tip transversal (epiuri, diguri);
    • lucrări de tip longitudinal (diguri legate sau nu de mal);
    • înnisiparea artificială.
    • Principalele tipuri de lucrări de protecţie “uşoare”:
    • diguri flotante;
    • diguri submersibile;
    • recifi artificiali;
    • plantarea de vegetaţie hidrofilă pentru stabilizarea dunelor de nisip;
    • înnisiparea artificială.
    • Lucrările de tip “uşor” sunt mai avantajoase din punct de vedere tehnic, ecologic şi economic decât lucrările de tip “greu”. Acest fapt a fost recunoscut, printre alte autorităţi, şi de către Comitetul Naţiunilor Unite pentru schimbările climatice (raportul din 17.02.2001).
    • Modelarea hidraulică a proceselor costiere
    • Un instrument extrem de util pentru cunoaşterea proceselor costiere şi pentru prognozarea evoluţiei morfologice a unor sectoare litorale îl constituie modelarea hidraulică, concretizată prin modele fizice şi modele matematice.
    • Noţiunea de modelare hidraulică se confundă de multe ori cu efectuarea unor studii pe modele la scară redusă. De fapt este vorba de un domeniu cu un conţinut mult mai vast. La baza modelării hidraulice stă înlocuirea ecuaţiilor complete ale hidrodinamicii, ecuaţii care descriu curgerea apei într-un domeniu dat cu condiţii iniţiale şi la limite cunoscute, cu relaţii între parametri de tip hidraulic. În aceste ultime relaţii se admit aproximaţiile tipice ale hidraulicii (se consideră mărimi medii pentru viteze, presiuni, debite, forţe; distribuţii simplificate ale vitezelor, concentraţiilor, etc.).
    • Principalele instrumente ale modelării hidraulice sunt modelele fizice şi modelele matematice. Modelele fizice se bazează pe criterii de similitudine, deduse din considerente hidraulice, în timp ce modelele matematice se bazează pe rezolvarea numerică a unor ecuaţii simplificate, de tipul relaţiilor hidraulice.
    • Diversele componente ale dinamicii costiere care se pot studia prin modelare hidraulică pot fi:
    • transportul aluviunilor, sortarea şi depunerea acestora, sub acţiunea valurilor şi curenţilor marini;
    • echilibrul proceselor morfologice prin compensarea, în sectorul studiat, al volumelor aluvionare ieşite cu cele intrate;
    • procesele de eroziune a plajelor, sau de depuneri aluvionare ce pot avea loc în sectoare cu bilanţ aluvionar dezechilibrat;
    • eroziunea malurilor neprotejate sub acţiunea directă a valurilor;
    • influenţa construcţiilor costiere asupra morfologiei sectoarelor învecinate;
    • stabilitatea şi comportarea în timp a construcţiilor costiere.
    • O comparaţie între modelele fizice şi cele matematice pune în evidenţă atât avantajele, cât şi dezavantajele fiecărora dintre ele.
    • Modele numerice de prognoză a evoluţiei morfodinamice a plajelor
    • În ţările cu tradiţie în proiectarea şi executarea lucrărilor de inginerie costieră (SUA, Olanda, Marea Britanie, Franţa etc.) au fost puse la punct, în ultima perioadă, modele numerice pentru prognoza evoluţiei morfodinamice a plajelor. Aceste modele sunt concretizate prin pachete de programe pentru calculator, foarte performante dar şi foarte scumpe.
    • Asfel, compania americană Veri-Tech Inc. din Vicksburg, Mississippi a pus în vânzare pachetul de programe CEDAS (Coastal Engineering Design and Analysis System). Produsul-program conţine mai multe componente specializate pentru calculul propagării valurilor în apă de mică adâncime şi pentru simularea acţiunii valurilor asupra plajelor având diferite forme în plan. Există subrutine grafice pentru generarea automată a reţelei de calcul, pentru vizualizarea tri-dimensională a rezultatelor obţinute şi pentru vizualizarea prin animaţie pe ecran. Programele sunt executabile sub sistemul de operare Windows (95/98/NT/2000/XP), având o interfaţă grafică prevăzută cu meniuri, bare de instrumente şi comenzi rapide. Produsul este însoţit şi de un manual de utilizare pe CD-ROM.
    • Laboratorul de Hidraulică din Delft, Olanda, a realizat seria de modele matematice DELFT-CHESS dedicate ingineriei costiere, îndeosebi pentru proiectarea porturilor maritime şi a lucrărilor de protecţie a plajelor împotriva eroziunilor. Produsul respectiv este compus din următoarele module:
    • SWAN - pentru simularea modificării hidrodinamicii valurilor la apropierea de ţărm;
    • PHAROS - pentru simularea propagării valurilor în porturi;
    • DIFFRAC - pentru calculul difracţiei valurilor în jurul structurilor costiere;
    • UNIBEST-CL+ - transportul longitudinal al aluviunilor (în lungul coastei);
    • UNIBEST-TC - transportul transversal al aluviunilor şi modificarea profilulului plajei
    • SILTHAR - calculul modificărilor morfologice în acvatoriile portuare;
    • SILTAC - calculul modificărilor morfologice ale şenalelor de acces în porturi;
    • SUTRENCH - transportul aluviunilor în suspensie şi depunerile în zonele dragate.
    • Institutul Danez de Hidraulică (DHI) comercializează produsul software LITPACK - un pachet de programe pentru modelarea transportului aluviunilor necoezive sub acţiunea valurilor şi curenţilor şi a modificărilor batimetriei plajei submerse.
    • LITPACK include module pentru simularea:
    • Profilului vertical al concentraţiei sedimentelor într-un punct oarecare
    • Transportului sedimentelor de-a lungul litoralului
    • Modificărilor batimetriei (profile transversale)
    • Depunerilor aluvionare în şenalele navigabile dragate
    • Modificărilor morfologiei costiere datorate schimbărilor capacităţii de transport a aluviunilor litorale.
    • Model numeric pentru determinarea evoluţiei plajelor în prezenţa
    • lucrărilor de protecţie transversale - programul de calcul PLAJA1
    • Modelul realizat se bazează pe principiul tendinţei de evoluţie a pantei plajei submarine către profilul de echilibru caracteristic regimului valurilor incidente şi granulozităţii materialului aluvionar constituent al plajei şi pe ipoteza Pelnard-Considère (ipoteza “one-line”): dacă profilul plajei tinde întotdeauna către un profil unic (profilul de echilibru), atunci o singură linie şi anume linia apei este suficientă pentru a descrie topografia plajei.
    • Modelul matematic este concretizat prin programul pentru calculator PLAJA1.
    • Ipoteze simplificatoare:
    • direcţia de propagare a valurilor constantă;
    • unghiul dintre liniile crestelor valurilor şi linia ţărmului (unghiul de incidenţă) relativ mic;
    • viteza curentului litoral proporţională cu unghiul de incidenţă al valurilor;
    • cauza predominantă a modificărilor liniei plajei este transportul aluvionar longitudinal al sedimentelor de
    • către valuri şi curenţi marini.
    • Ecuatia de continuitate:
    Transportul aluvionar longitudinal sub acţiunea valurilor, Q: Fluxul de energie a valurilor deferlante: Aproximare numerică, diferen ţ e finite, schema explicit ă.
  • Problema stabilităţii soluţiei numerice: aplicând criteriul de stabilitate Courant-Levy rezultă următoarea condiţie de stabilitate a soluţiei:
    • Condiţii la limită pentru:
    • plaja naturală;
    • lucrările de protecţie transversale (epiuri).
    Evoluţia liniei plajei în vecinătatea unui epiu; valuri având înălţimea la limita de deferlare H b = 0.7 m şi unghiul de incidenţă  b = 20 0 . Intervalul de timp între linii = 10 zile.
  • R ezultate obţinute pentru epiuri având diferite grade de permeabilitate. Este reprezentată evoluţia liniei plajei în vecinătatea unui epiu perpendicular pe linia iniţială a plajei. Valurile considerate în calcul au înălţimea la limita de deferlare H b = 0.7 m şi unghiul de incidenţă  b = 20 0 , iar factorul de permeabilitate al epiului variază între P = 0.0 şi P = 0.5.
  • Model numeric pentru determinarea evoluţiei plajelor în prezenţa lucrărilor de protecţie longitudinale - programul de calcul PLAJA 2D Programul simulează modificările morfologice ale unui sector de plajă litorală supus acţiunii valurilor, în prezenţa sau în absenţa lucrărilor de protecţie , dând modificările în timp ale geometriei plajei respective, în funcţie de regimul valurilor incidente şi de eventualul aport de aluviuni (nisip) din sectoarele învecinate. Modelul se bazează pe principiul tendinţei de evoluţie a pantei plajei submarine către profilul de echilibru caracteristic regimului valurilor incidente şi granulozităţii materialului aluvionar constituent al plajei. Acest principiu este reflectat în ecuaţiile adoptate pentru debitul solid (transportul aluvionar). Ecuaţiile respective sunt completate cu o ecuaţie de continuitate. Metoda utilizată este cea a diferenţelor finite, domeniul analizat fiind discretizat cu ajutorul unei reţele rectangulare având paşii  x şi  y pe direcţiile Ox, respectiv Oy (axa Oy fiind luată perpendicular pe linia malului). Sectorul de plajă modelat este limitat fie de două drepte paralele cu axa Oy (în cazul plajelor neprotejate), fie de construcţiile de protecţie prevăzute (de exemplu epiuri sau diguri-crosă în formă de  , T sau Y în cazul plajelor alveolare). Ca date de intrare în program sunt necesare: Cotele z 0 ale fundului mării în nodurile reţelei: z 0 (i,j) , i fiind indicele de numerotare al nodurilor pe direcţia Ox, iar j indicele pe direcţia Oy. Elementele caracteristice ale regimului valurilor (valul de calcul) în nodurile reţelei: înălţimea H(i,j) şi direcţia de propagare  (i,j) faţă de axa Ox. Ecuaţia transportului aluvionar sub acţiunea valurilor, în direcţia propagării acestora: i e = panta locală de echilibru (profilul de echilibru caracteristic regimului valurilor incidente şi granulozităţii materialului aluvionar constituent al plajei); i =  z 0 /  s este panta fundului mării;  z 0 = variaţia cotelor fundului sub acţiunea valurilor;  s = distanţa orizontală în direcţia propagării valurilor; C – un coeficient constant
  • Ecuaţia de mai sus, bazată pe un mare număr de măsurători pe modele şi în natură, este de fapt o cuantificare a proprietăţii că transportul aluvionar (debitul solid) este proporţional cu înălţimea valului, cu diferenţa dintre panta fundului şi panta locală de echilibru şi invers proporţională cu adâncimea apei. Panta locală de echilibru este dată de relaţia: unde d (în mm) este diametrul mediu al particulelor materialului constituent al plajei (nisip), iar i n este panta taluzului natural sub apă al nisipului. Proiectând ecuaţia pe direcţiile Ox şi Oy se obţin următoarele expresii pentru componentele debitului solid specific, la fiecare pas de timp  t : Modelul de calcul este completat cu ecuaţia de continuitate: Aproximare numerică, diferen ţ e finite, schema explicit ă. Stabilitatea soluţiei este asigurată dacă pentru orice perturbaţie  z modificările rezultate ale cotelor fundului nu depăşesc, în valoare absolută, această perturbaţie:   z 0      .
  • Sectorul de plajă – situaţia iniţială
  •  
    • Model numeric pentru determinarea evoluţiei plajelor în prezenţa
    • lucrărilor de protecţie mixte - programul de calcul PLAJA_MX
    • Modelul realizat se bazează pe principiul tendinţei de evoluţie a pantei plajei submarine către profilul de echilibru caracteristic regimului valurilor incidente şi granulozităţii materialului aluvionar constituent al plajei şi pe ipoteza Pelnard-Considère (ipoteza “one-line”): dacă profilul plajei tinde întotdeauna către un profil unic (profilul de echilibru), atunci o singură linie şi anume linia apei este suficientă pentru a descrie topografia plajei.
    • Modelul matematic este concretizat prin programul pentru calculator PLAJA_MX.
    • Ipoteze simplificatoare:
    • direcţia de propagare a valurilor constantă;
    • unghiul dintre liniile crestelor valurilor şi linia ţărmului (unghiul de incidenţă) relativ mic;
    • viteza curentului litoral proporţională cu unghiul de incidenţă al valurilor;
    • cauza predominantă a modificărilor liniei plajei este transportul aluvionar longitudinal al sedimentelor de
    • către valuri şi curenţi marini.
    • Ecuatia de continuitate:
    Transportul aluvionar longitudinal sub acţiunea valurilor, Q: Fluxul de energie a valurilor deferlante: Aproximare numerică, diferen ţ e finite, schema explicit ă.
  • Problema stabilităţii soluţiei numerice: aplicând criteriul de stabilitate Courant-Levy rezultă următoarea condiţie de stabilitate a soluţiei:
    • Condiţii la limită pentru:
    • plaja naturală;
    • lucrările de protecţie.
    • Modelare pentru:
    • Fenomenul de refractie a valurilor
    • Fenomenul de difractie a valurilor
    Ecuaţiile modificărilor morfologice ale unui sector de plajă şi condiţiile la limită sunt în concordanţă cu cele din lucrările de referinţă în acest domeniu (Hanson, H.: Numerical Model for Studying Shoreline Change in the Vicinity of Coastal Structures , Lund Institute of Technology, Report No. 3040, University of Lund, Suedia, 1980 şi S hore Protection Manual , U.S. Army Coastal Engineering Research Center, 1984). În plus, faţă de modelul “one line”, la formula de calcul a debitului solid longitudinal a mai fost adăugat un termen adiţional care să exprime gradientul înălţimii valurilor deferlante în lungul coastei, astfel încât formula respectivă devine: Acest mod mai complex de abordare a problemei a fost preluat din programul de calcul GENESIS ( GENE ralized model for SI mulating S horeline change) realizat de către Gravens, Kraus şi Hansen în 1991
  •  
  •  
  • Anexa 6. Zona Venus-Aurora Varianta 0 ____ Izobate in situatia initiala ------ Izobate obtinute la t=300 zile
  • Anexa 7. Zona Venus-Aurora Varianta A ____ Izobate in situatia initiala ------ Izobate obtinute la t=300 zile
  • Anexa 8. Zona Venus-Aurora Varianta B ____ Izobate in situatia initiala ------ Izobate obtinute la t=300 zile