Ανάπτυξη εργαλείων υδρολογικής ανάλυσης σε περιβάλλον Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών: η περίπτωση της λεκάνης απορροής του ποταμού Αράχθου, ανάντη του Τσιμόβου

Abstract

Στην παρούσα εργασία, παρουσιάζεται μια δέσμη μεθοδολογιών υδρολογικής ανάλυσης, σε περιβάλλον Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών, οι οποίες αναπτύχθηκαν, αξιοποιώντας παραδοσιακές υδρολογικές μεθόδους, που εδώ και πολλές δεκαετίες έχουν αναπτυχθεί. Η ανάπτυξη μοντέλων, που να προσομοιώνουν τη φύση, είναι ένα αρκετά δύσκολο εγχείρημα, με αμφίβολα αποτελέσματα, καθώς δεν υπάρχει πλήρης γνώση των υδρολογικών διεργασιών, ενώ τα διαθέσιμα δεδομένα συνήθως είναι ελάχιστα έως ανεπαρκή. Συνεπώς, η ακρίβεια των μοντέλων και οι παραδοχές που γίνονται, εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τις υπάρχουσες μετρήσεις (ποσότητα και ποιότητα). Ως περιοχή μελέτης επιλέχθηκε η λεκάνη απορροής του ποταμού Αράχθου, ανάντη της θέσης Τσίμοβο, λόγω διαθεσιμότητας δεδομένων. Έτσι, αρχικά συλλέχθηκε πληροφορία υπό τη μορφή γεωγραφικών υποβάθρων, η οποία αποθηκεύθηκε σε μια χωρική Βάση Δεδομένων, που αναπτύχθηκε για το σκοπό αυτό. Η πληροφορία αυτή αποτέλεσε τη βάση για την ανάπτυξη και λειτουργία των επιμέρους μοντέλων, που απαρτίζουν τα εργαλεία υδρολογικής ανάλυσης, που δημιουργήθηκαν. Απώτερος στόχος, της παρούσας εργασίας, είναι η εφαρμογή των μοντέλων και η λειτουργία των εργαλείων να λαμβάνει χώρα στο βασικό περιβάλλον εργασίας του λογισμικού ArcGIS, χωρίς να απαιτείται η ιδιοκτησία διαφορετικών επεκτάσεων του λογισμικού, ή συγκεκριμένων υδρολογικών μοντέλων, που έχουν ήδη αναπτυχθεί. Με τον τρόπο αυτό, αναμένεται να υπάρξει σημαντική συμβολή στις διαδικασίες υδρολογικής ανάλυσης, έτσι ώστε αυτές να μπορούν να διενεργούνται ακόμα και από λιγότερο εξειδικευμένους ή πεπειραμένους χρήστες, ενώ παράλληλα επιτυγχάνεται μείωση του απαιτούμενου, για την εφαρμογή τους, χρόνου. Συγκεκριμένα, τα εν λόγω μοντέλα υλοποιήθηκαν και εφαρμόστηκαν για δεδομένα διαφορετικής ανάλυσης και πηγής προέλευσης και αξιολογήθηκαν τα αντίστοιχα αποτελέσματα. Η εφαρμογή τους στοχεύει: α) στην εκτίμηση της πλημμυρικής αιχμής, μέσω προσδιορισμού του ιστογράμματος χρόνου – επιφανείας, απ’ το οποίο εύκολα προκύπτει το μοναδιαίο υδρογράφημα, της υπό μελέτη λεκάνης, β) στην εκτίμηση του συντελεστή απορροής της λεκάνης, βάσει της Ορθολογικής μεθόδου, γ) στην εκτίμηση της ενεργού βροχής, μέσω εκτίμησης του αριθμού καμπύλης απορροής CN, βάσει της μεθόδου SCS και δ) στον εντοπισμό χωρικών μεγίστων βροχοπτώσεων, σε συγκεκριμένους χρόνους. Αυτά τα μοντέλα αναπτύχθηκαν έτσι ώστε να μην απαιτείται σημαντική προεπεξεργασία των δεδομένων, να εκτελούνται σε λεκάνες με μη διαθέσιμα υδρολογικά δεδομένα και χωρίς να χρησιμοποιούν πολύπλοκες μακροεντολές, που αυξάνουν τον χρόνο εκτέλεσής τους ή απαιτούν πολλές επαναλήψεις. Στα Παραρτήματα, παρατίθενται πίνακες και διαγράμματα, που περιγράφουν τις διαδικασίες που ακολουθήθηκαν, βήμα προς βήμα, για την καλύτερη και ολοκληρωμένη κατανόηση της λειτουργίας των εν λόγω μοντέλων, ή ακόμη και την επαναδημιουργία τους. Τέλος, αναφέρονται τα πλεονεκτήματα και τα προβλήματα της παρούσας εφαρμογής, καθώς και προτάσεις για τις δυνατότητες και την προοπτική περαιτέρω βελτίωσής της, ώστε να γίνει πιο αποτελεσματική και ευέλικτη.

In this paper we present several methodologies of hydrological analysis, developed in a GIS (Geographic Information Systems) environment, by utilizing hydrological methods that have been developed over the past decades. Developing nature-simulation models is a fairly difficult enterprise with dubious results, since there is no complete knowledge of the hydrological processes, while available data is usually scarce or incomplete. Consequently, the models’ precision, as well as some of the assumptions made, greatly depends on the quantity and quality of the available measurements. The drainage basin of the Arachthos river, located on the upstream of the Tsimovo territory, has been selected as the case study, because of the satisfactory data availability. Thus, information was collected in the form of geographical background, which was then stored in a spatial database developed especially for this purpose. This information was the foundation used to develop and put into action individual models, which finally created the tools of hydrological analysis. The ultimate objective of this paper is the successful application of the aforementioned models and tools in the working environment of the ArcGIS software, without need of software extensions’ ownership, or of particular hydrological models that have already been developed. Therefore, we expect an important contribution to the hydrological analysis procedures, so that less familiar or experienced users can still use them effectively. Meanwhile, there has also been an important decrease regarding the time needed for their application. More specifically, these models have come to existence and put into action, aiming to examine data of a different spatial resolution and origin. The respective results have been evaluated. Their applications aim to: a) evaluate the flood peak, by defining the time-surface histogram. From this histogram we can easily deduct the unit hydrograph of the drainage basin we have been studying, b) evaluate the drainage basin’s variant, based on the Rational method, c) evaluating the effective rainfall, by examining the runoff’s curve number (CN), based on the SCS method, and d) locate spatial maximum rainfall data, in a specific amount of time. These models have been developed in such a way that pre-processing of the data is not necessary and that putting them into action in drainage basins with unavailable hydrological data is possible. Furthermore, they do not use complicated macro-commands, because these increase the application’s time or require numerous repetitions. In the Annexes, you can find tables and charts which describe, step by step, the procedures that have been followed. These tables and charts aim to a better understanding of the function of the aforementioned models, or even to a complete recreation of these models. Finally, the advantages and disadvantages of the present application are mentioned, as well as different suggestions concerning its potential and improvement margin, aiming to make it more effective and flexible.