Εκτίμηση του πλημμυρικού κινδύνου σε αστικές λεκάνες απορροής: η περίπτωση των λεκανών Ψυχικού-Φιλοθέης

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η εκτίμηση του πλημμυρικού κινδύνου σε αστικές λεκάνες απορροής. Ως περιοχή μελέτης, επιλέχθηκε η περιοχή Παλαιού Ψυχικού-Φιλοθέης στο λεκανοπέδιο Αττικής. Έχοντας ως υπόβαθρο πρόσφατη υδραυλική μελέτη της περιοχής και με τη χρήση του λογισμικού SWMM, μοντελοποιήθηκε σύστημα αποχέτευσης ομβρίων και διερευνήθηκε η υδραυλική συμπεριφορά του κατά την εφαρμογή πλημμυρικών γεγονότων διαφορών διαρκειών και περιόδων επαναφοράς. Για την προσομοίωση του συστήματος χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος του δυναμικού κύματος, που προσεγγίζει στον καλύτερο δυνατό βαθμό τις πραγματικές συνθήκες, αφού στηρίζεται στην εφαρμογή φυσικών νόμων (θεωρία της μη μόνιμης ροής σε ανοικτούς αγωγούς). Αρχικό στάδιο της μοντελοποίησης αποτέλεσε ο σχεδιασμός των ορίων των αστικών λεκανών, σύμφωνα με το φυσικό υδρογραφικό δίκτυο αλλά και το πολεοδομικό σχέδιο της περιοχής ενώ, στη συνέχεια, εισήχθησαν στο λογισμικό όλα τα φρεάτια, οι αγωγοί και τα τελικά σημεία εκβολής του αποχετευτικού δικτύου, με τα πλήρη υδραυλικά τους χαρακτηριστικά. Τα γεγονότα βροχόπτωσης εφαρμόσθηκαν στο μοντέλο με την μορφή υετογραμμάτων, για διάρκειες 1, 3, 6, 12 h και 5, 10, 25, 50, 100, 1000 και 10000 ετών με χρονικό βήμα δέκα λεπτών, με βάση την ενιαία εξίσωση ομβρίων καμπυλών του νοτιοανατολικού μετεωρολογικού σταθμού, της Πολυτεχνειούπολης Ζωγράφου. Αμέσως μετά την μοντελοποίηση του απλού (υπόγειου) αποχετευτικού συστήματος, είναι εφικτός ο υπολογισμός διαφόρων υδραυλικών μεγεθών των αγωγών όπως η παροχή, το βάθος και η ταχύτητα ροής, ο αριθμός Froude, για οποιαδήποτε χρονική στιγμή και για οποιοδήποτε πλημμυρικό γεγονός. Ωστόσο, το αποχετευτικό σύστημα έχει την ικανότητα πραγματοποίησης ασφαλούς διοχέτευσης, μέχρι και για γεγονότα βροχόπτωσης περιόδου 25 ετών. Με την εφαρμογή πλημμυρικών φαινομένων μεγαλύτερων περιόδων επαναφοράς αν όχι όλοι, πολλοί αγωγοί του δικτύου προβλέπεται να υπερφορτιστούν και να πλημμυρίσουν και η ασφαλής διοχέτευση είναι αδύνατη. Η ανάγκη λεπτομερούς μελέτης της απόκρισης των αστικών λεκανών, κατά τη διάρκεια μεγάλων γεγονότων βροχόπτωσης μας οδήγησε στη θεώρηση ενός πολύπλοκου αποχετευτικού συστήματος, του λεγόμενου δυαδικού συστήματος αποχέτευσης. Πρόκειται για ένα σύστημα που αποτελείται από δύο παράλληλα δίκτυα, ένα δίκτυο υπογείων αγωγών και ένα δίκτυο επιφανειακών ανοιχτών αγωγών, τυπικής διατομής αυτής των δρόμων. Έτσι, σε περίπτωση που πλημμυρίσει το υπόγειο αποχετευτικό δίκτυο η ροή θα πραγματοποιείται στο επιφανειακό. Το σύστημα είναι έτοιμο προς πλήρη διερεύνηση. Η διερεύνηση αυτή εστιάζει στα ακόλουθα θέματα: (α) παραγωγή υδρογραφημάτων απορροής στις εξόδους του συστήματος για όλα τα πλημμυρικά γεγονότα, (β) προσδιορισμός υδραυλικών μεγεθών για κάθε αγωγό του δικτύου, κάθε χρονική στιγμή του γεγονότος βροχόπτωσης (δυνατότητα καταγραφής αποτελεσμάτων μέχρι και κάθε 1 s), (γ) διόδευση της πλημμύρας τόσο για μικρά όσο και για μεγάλα γεγονότα βροχόπτωσης. Επιπλέον, η περιοχή μελέτης εξετάστηκε και με την θεώρησή της ως ενιαίας μη αστικής λεκάνης με ένα σημείο εκβολής με τη βοήθεια μιας αποκλειστικά υδρολογικής προσέγγισης. Ύστερα από τη μοντελοποίηση της λεκάνης με το λογισμικό του SWMM, εφαρμόσθηκαν και σε αυτή τα παραπάνω υετογράμματα βροχόπτωσης. Κύριο εξαγόμενο ήταν μια σειρά υδρογραφημάτων απορροής στην έξοδο της. Η διερεύνηση της υδρολογικής συμπεριφοράς, της λεκάνης σε μη αστικές συνθήκες πραγματοποιήθηκε προκειμένου τελικά να προσδιοριστεί το ποσοστό αύξησης των παροχών απορροής που προήλθε από την αστικοποίηση

The aim of this study is the assessment of flood hazard in urban basins Psichiko and Filothei that lie within the Attica water district. Based on data from a recent hydraulic study of the above areas and with the aid of SWMM software, the stormwater drainage system was modeled and its hydraulic performance was studied for flood events of different durations and recurrence intervals. For the simulation of the system, the dynamic wave method was applied. The latter provides the best approximation of the system operation since it is based on physical laws (theory of unsteady flow in open channels). First, the urban sub-basins were delineated based both on the natural, hydrographic network and the man-made drainage system in the area. Afterwards, all the manholes, conduits and outfalls of the drainage system were inserted in the software package together with their hydraulic characteristics. Design hyetographs for rainfall events were constructed with durations of 1, 3, 6, and 12 h, and recurrence intervals of 5, 10, 25, 50, 100, 1000 and 10000 years. The time step was 10 minutes and the generalized equation of IDF curves of the northeastern meteorological station of NTUA campus in Zografos (Athens) was used. After modeling of the simple (subterranean) drainage system, several hydraulic quantities such as discharge, flow depth, flow velocity and Froude number were computed for every flood event. However, the drainage system is able to convey water safely, only for flood events with recurrence intervals that do not exceed 25 years. Regarding flood events of larger recurrence intervals, some conduits are surcharged and manholes are flooded. In order to study these phenomena, a more complicated drainage system, called the dual drainage system was used. This consists of two parallels networks, a network of underground pipes and a network of open, surface channels whose cross sections coincide with those of a typical street. Cross sections of gutters represent the surface “channel” through which water would flow if the pipe system surcharged and flooded the street. The dual drainage system was investigated through a series of computational steps: (a) discharge hydrographs at the outfalls of the system were estimated (b) hydraulic quantities, for every conduit of the network, during the rainfall event (even 1 s can be used as time interval for reporting results) (c) hydraulic routing was performed for both minor and major rainfall events. In addition, the area was examined as non-urban basin based on a hydrological approach only and by considering one outlet. The same hyetographs were applied to the urbanized and the non-urbanized case. The main output was a series of discharge hydrographs at the outfall of the basin. Based on these hydrographs, the percentage of the discharge increase is calculated, which is due to urbanization.